열역학적 공정 시스템 및 그 주변 사이의 열 흐름 (에너지) 또는 직장을 포함하는 물리적 또는 화학적 현상이다. 열에 대해 이야기 할 때, 많은 열 에너지를 방출하는 프로세스의 전형적인 표현 인 불의 이미지가 합리적으로 떠 오릅니다.
이 시스템은 거시적 (기차, 로켓, 화산) 및 현미경 (원자, 박테리아, 분자, 양자점 등)이 될 수 있습니다. 이것은 우주의 나머지 부분과 분리되어 들어오고 나가는 열이나 일을 고려합니다.
그러나 열 흐름이 존재할뿐만 아니라 시스템은 고려 된 현상에 대한 반응으로 환경의 일부 변수에 변화를 일으킬 수도 있습니다. 열역학 법칙에 따르면, 물질과 에너지가 항상 보존되도록 반응과 열 사이에 균형이 있어야합니다.
위의 내용은 거시 및 현미경 시스템에 유효합니다. 첫 번째와 마지막의 차이점은 에너지 상태를 정의하는 데 고려되는 변수입니다 (본질적으로 초기 및 최종).
그러나 열역학 모델은 시스템의 압력, 부피 및 온도와 같은 변수를 제어하여 두 세계를 연결하고 이러한 상수 중 일부를 유지하여 다른 것의 효과를 연구합니다.
이 근사치를 허용하는 첫 번째 모델은 이상 기체 (PV = nRT)의 모델입니다. 여기서 n은 부피 V로 나눌 때 몰 부피를 제공하는 몰의 수입니다.
그런 다음 이러한 변수의 함수로 시스템 주변 간의 변화를 표현하면 기계 및 산업 공정에 필수적인 작업 (PV = W)과 같은 다른 항목을 정의 할 수 있습니다.
반면에 화학 현상의 경우 다른 유형의 열역학적 변수가 더 큰 관심을받습니다. 이들은 에너지의 방출 또는 흡수와 직접적으로 관련이 있으며 분자의 본질적인 특성 인 결합의 형성과 유형에 따라 달라집니다.
열역학 프로세스의 시스템 및 현상
상단 이미지에는 폐쇄 형, 개방형 및 단열의 세 가지 유형의 시스템이 표시됩니다.
폐쇄 된 시스템에서는 그것과 그 주변 사이에 물질의 이동이 없기 때문에 어떤 물질도 들어 오거나 나갈 수 없습니다. 그러나 에너지는 상자의 경계를 넘을 수 있습니다. 즉, 현상 F는 에너지를 방출하거나 흡수하여 상자 너머에있는 것을 수정할 수 있습니다.
반면에 개방형 시스템에서는 시스템의 지평이 점선으로되어있어 에너지와 물질이 모두 그것과 주변 사이를 오갈 수 있음을 의미합니다.
마지막으로, 고립 된 시스템에서 그것과 주변 환경 사이의 물질과 에너지의 교환은 0입니다. 이러한 이유로 이미지에서 세 번째 상자는 거품으로 둘러싸여 있습니다. 주변이 우주의 나머지 부분이 될 수 있으며, 그 연구는 시스템의 범위를 얼마나 고려할 것인지를 정의하는 것임을 명확히 할 필요가 있습니다.
물리 화학적 현상
현상 F는 구체적으로 무엇입니까? 문자 F로 표시되고 노란색 원 안에있는 현상은 발생하는 변화이며 물질의 물리적 변형 또는 변형 일 수 있습니다.
차이점은 무엇입니까? 간결하게 : 첫 번째는 깨지거나 새로운 링크를 생성하지 않는 반면 두 번째는 그렇지 않습니다.
따라서 현상이 물리적인지 화학적인지에 따라 열역학적 과정을 고려할 수 있습니다. 그러나 둘 다 공통적으로 일부 분자 또는 원자 특성에 변화가 있습니다.
물리적 현상의 예
냄비에 물을 가열하면 분자 사이의 충돌이 증가하여 증기압이 대기압과 같을 때 액체에서 기체로의 상 변화가 발생합니다. 즉, 물이 증발합니다.
여기서 물 분자는 결합을 끊지 않지만 에너지적인 변화를 겪고 있습니다. 또는 동일한 것은 물의 내부 에너지 U가 수정됩니다.
이 경우에 대한 열역학적 변수는 무엇입니까? 대기압 P ex , 조리 가스 연소의 온도 생성물 및 물의 부피.
대기압은 일정하지만 물이 뜨거워지기 때문에 물의 온도는 일정하지 않습니다. 분자가 공간에서 팽창하기 때문입니다. 이것은 등압 과정 내의 물리적 현상의 예입니다. 즉, 일정한 압력에서 열역학 시스템입니다.
압력솥에 콩과 함께 물을 넣으면 어떨까요? 이 경우 부피는 일정하게 유지되지만 (콩이 조리 될 때 압력이 풀리지 않는 한) 압력과 온도는 변합니다.
이는 생성 된 가스가 빠져 나갈 수없고 냄비 벽과 액체 표면에서 튀어 나오기 때문입니다. 그때 우리는 또 다른 물리적 현상에 대해 이야기하지만 등각 과정 내에 있습니다.
화학 현상의 예
분자 또는 원자 구조와 같은 미세한 요소에 내재 된 열역학적 변수가 있다고 언급되었습니다. 이 변수는 무엇입니까? 엔탈피 (H), 엔트로피 (S), 내부 에너지 (U) 및 깁스 자유 에너지 (S).
물질의 이러한 고유 변수는 선택된 수학적 모델 (일반적으로 이상 기체의 모델)에 따라 거시적 열역학적 변수 (P, T 및 V)로 정의되고 표현됩니다. 이 열역학적 연구 덕분에 화학 현상에 대한 연구를 수행 할 수 있습니다.
예를 들어 A + B => C 유형의 화학 반응을 연구하려고하지만 반응은 70ºC의 온도에서만 발생합니다. 또한 100ºC 이상의 온도에서 C가 생성되는 대신 D.
이러한 조건에서 반응기 (반응이 발생하는 어셈블리)는 약 70ºC의 일정한 온도를 보장해야하므로 공정은 등온입니다.
열역학 프로세스의 유형 및 예
단열 과정
시스템과 주변 환경 사이에 순 이동이없는 경우입니다. 장기적으로 이것은 격리 된 시스템 (버블 내부의 상자)에 의해 보장됩니다.
예
그 예로는 화학 반응 (연소, 용해, 산화 등)에서 방출되거나 흡수되는 열의 양을 결정하는 열량계가 있습니다.
물리적 현상에는 피스톤에 가해지는 압력으로 인해 뜨거운 가스에 의해 생성되는 움직임이 있습니다. 마찬가지로 기류가 지표면에 압력을 가하면 팽창을 강요하면서 온도가 상승합니다.
반면에 다른 표면이 기체이고 밀도가 낮 으면 압력이 높아지면 온도가 낮아져 입자가 응축됩니다.
단열 공정은 열 손실이 적다는 것은 비용에 반영되는 성능 저하를 의미하는 많은 산업 공정에 이상적입니다. 이를 고려하려면 열 흐름이 0이거나 시스템에 유입되는 열의 양이 시스템에 유입되는 열의 양과 같아야합니다.
등온 과정
등온 프로세스는 시스템의 온도가 일정하게 유지되는 모든 프로세스입니다. 다른 변수 (P 및 V)가 시간에 따라 달라 지도록 작업을 수행하여이를 수행합니다.
예
이러한 유형의 열역학 과정의 예는 무수히 많습니다. 본질적으로, 세포 활동의 대부분은 일정한 온도에서 발생합니다 (세포막을 통한 이온과 물의 교환). 화학 반응 내에서 열 평형을 설정하는 모든 반응은 등온 과정으로 간주됩니다.
인간의 신진 대사는 광범위한 화학 반응을 통해 일정한 체온 (약 37ºC)을 유지합니다. 이것은 음식에서 얻은 에너지 덕분에 달성됩니다.
위상 변화는 또한 등온 과정입니다. 예를 들어, 액체가 얼면 열을 방출하여 완전히 고체 상태가 될 때까지 온도가 계속 낮아지는 것을 방지합니다. 이런 일이 발생하면 고체가 더 이상 에너지를 방출하지 않기 때문에 온도가 계속 낮아질 수 있습니다.
이상 기체를 포함하는 시스템에서 내부 에너지 U의 변화는 0이므로 모든 열이 작업에 사용됩니다.
등압 과정
이러한 프로세스에서 시스템의 압력은 일정하게 유지되며 체적과 온도가 달라집니다. 일반적으로 대기에 개방 된 시스템 또는 압력 증가에 대응하는 방식으로 부피 증가에 의해 경계가 변형 될 수있는 폐쇄 시스템에서 발생할 수 있습니다.
예
엔진 내부의 실린더에서 가스가 가열되면 피스톤을 밀어 시스템의 볼륨을 변경합니다.
그렇지 않은 경우 시스템이 실린더 벽에있는 기체 종의 충돌을 줄일 방법이 없기 때문에 압력이 증가 할 것입니다.
등각 과정
isochoric 프로세스에서 볼륨은 일정하게 유지됩니다. 또한 시스템이 작업을 생성하지 않는 것으로 간주 될 수도 있습니다 (W = 0).
기본적으로 그들은 교반 여부와 관계없이 모든 용기 내부에서 연구되는 물리적 또는 화학적 현상입니다.
예
이러한 과정의 예로는 음식 조리, 커피 준비, 아이스크림 병 냉각, 설탕 결정화, 난 용성 침전물 용해, 이온 교환 크로마토 그래피 등이 있습니다.
참고 문헌
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