Types de processus thermodynamiques et exemples

Le processus thermodynamiques ce sont des phénomènes physiques ou chimiques qui impliquent un flux de chaleur (énergie) ou un travail entre un système et son environnement. Lorsqu'on parle de chaleur, on pense rationnellement à l'image du feu, qui est la manifestation par excellence d'un processus qui dégage beaucoup d'énergie thermique.

Le système peut être à la fois macroscopique (un train, une fusée, un volcan) et microscopique (atomes, bactéries, molécules, points quantiques, etc.). Ceci est séparé du reste de l'univers pour tenir compte de la chaleur ou du travail qui y pénètre ou en sort.

Cependant, non seulement le flux de chaleur existe, mais les systèmes peuvent également générer des changements dans certaines variables de leur environnement en réponse au phénomène considéré. Selon les lois thermodynamiques, il doit y avoir une compensation entre la réponse et la chaleur pour que la matière et l’énergie soient toujours conservées.

Ce qui précède est valable pour les systèmes macroscopiques et microscopiques. La différence entre le premier et le dernier sont les variables considérées pour définir leurs états énergétiques (en substance, l'initiale et la finale).

Cependant, les modèles thermodynamiques cherchent à relier les deux mondes en contrôlant des variables telles que la pression, le volume et la température des systèmes, en conservant certaines de ces constantes pour étudier l’effet des autres.

Le premier modèle qui permet cette approximation est les gaz idéaux (PV = nRT), où n est le nombre de moles, que lors de la division entre le volume V, le volume molaire est obtenu.

Puis, en exprimant les changements entre les systèmes autour de ces variables, d’autres peuvent être définis comme travail (PV = W), indispensable pour les machines et les processus industriels.

En revanche, un autre type de variable thermodynamique présente un intérêt plus important pour les phénomènes chimiques. Celles-ci sont directement liées à la libération ou à l'absorption d'énergie et dépendent de la nature intrinsèque des molécules: la formation et les types de liaisons.

Index

• 1 Systèmes et phénomènes dans les processus thermodynamiques
  • 1.1 Phénomènes physiques et chimiques
  • 1.2 Exemples de phénomènes physiques
  • 1.3 Exemples de phénomènes chimiques
• 2 types et exemples de processus thermodynamiques
  • 2.1 Processus adiabatiques
  • 2.2 Processus isothermes
  • 2.3 Processus isobares
  • 2.4 Processus isochoriques
• 3 références

Systèmes et phénomènes dans les processus thermodynamiques

Dans l'image ci-dessus, les trois types de systèmes sont représentés: fermé, ouvert et adiabatique.

Dans le système fermé, il n'y a pas de transfert de matière entre elle et son environnement, de sorte que rien ne peut entrer ou sortir; Cependant, l'énergie peut traverser les frontières de la boîte. En d'autres termes: le phénomène F peut libérer ou absorber de l'énergie, modifiant ainsi ce qui est au-delà de la boîte.

D'autre part, dans le système ouvert, les lignes du point sont les horizons du système, ce qui signifie que l'énergie et la matière peuvent aller et venir entre cela et l'environnement.

Enfin, dans un système isolé, l'échange de matière et d'énergie entre lui et l'environnement est nul; pour cette raison, dans l'image, la troisième case est entourée d'une bulle. Il est nécessaire de préciser que l’environnement peut être le reste de l’univers, et que l’étude est ce qui définit jusqu’à quel point il faut considérer la portée du système.

Phénomènes physiques et chimiques

Quel est spécifiquement le phénomène F? Indiqué par la lettre F et dans un cercle jaune, le phénomène est un changement qui se produit et qui peut être la modification physique de la matière ou sa transformation.

Quelle est la différence? En résumé: dans le premier il n'y a pas de casse ou de création de nouveaux liens, alors que dans le second.

Ainsi, un processus thermodynamique peut être envisagé selon que le phénomène est physique ou chimique. Cependant, les deux ont en commun un changement dans certaines propriétés moléculaires ou atomiques.

Exemples de phénomènes physiques

Le chauffage de l'eau dans un pot provoque une augmentation des collisions entre ses molécules, au point que la pression de ses vapeurs est égale à la pression atmosphérique, puis le changement de phase du liquide au gaz se produit. En d'autres termes, l'eau s'évapore.

Ici, les molécules d'eau ne cassent aucune de leurs liaisons, mais subissent des changements énergétiques; ou ce qui est la même chose, l'énergie interne U de l'eau est modifiée.

Quelles sont les variables thermodynamiques pour ce cas? La pression atmosphérique P_ex, la température produite par la combustion du gaz de cuisson et le volume d'eau.

La pression atmosphérique est constante, mais la température de l'eau ne l'est pas puisqu'elle est chauffée; ni le volume, car ses molécules se développent dans l'espace. Ceci est un exemple d'un phénomène physique dans un processus isobare; c'est-à-dire un système thermodynamique à pression constante.

Que se passe-t-il si vous mettez de l'eau avec des haricots dans un autocuiseur? Dans ce cas, le volume reste constant (tant que la pression n'est pas libérée lors de la cuisson des grains), mais la pression et la température changent.

En effet, le gaz produit ne peut pas s'échapper et rebondit sur les parois du pot et sur la surface du liquide. On parle alors d'un autre phénomène physique mais dans un processus isochore.

Exemples de phénomènes chimiques

Il a été mentionné qu'il existe des variables thermodynamiques inhérentes aux facteurs microscopiques, tels que la structure moléculaire ou atomique. Quelles sont ces variables? L'enthalpie (H), l'entropie (S), l'énergie interne (U) et l'énergie libre de Gibbs (S).

Ces variables intrinsèques de la matière sont définies et exprimées en fonction des variables thermodynamiques macroscopiques (P, T et V), selon le modèle mathématique choisi (généralement celui des gaz parfaits). Grâce à cela, des études thermodynamiques peuvent être effectuées sur les phénomènes chimiques.

Par exemple, vous voulez étudier une réaction chimique de type A + B => C, mais la réaction ne se produit qu'à une température de 70 ° C. De plus, à des températures supérieures à 100 ° C, au lieu de produire du C, D est généré.

Dans ces conditions, le réacteur (l'ensemble où la réaction est effectuée) doit garantir une température constante autour de 70 ° C, le procédé est donc isotherme.

Types et exemples de processus thermodynamiques

Processus adiabatiques

Ce sont ceux dans lesquels il n'y a pas de transfert net entre le système et ses environs. Cela est garanti à long terme par un système isolé (la boîte à l'intérieur de la bulle).

Des exemples

Les calorimètres, par exemple, déterminent la quantité de chaleur libérée ou absorbée par une réaction chimique (combustion, dissolution, oxydation, etc.).

Parmi les phénomènes physiques, il y a le mouvement généré par le gaz chaud dû à la pression exercée sur les pistons. De même, lorsqu'un courant d'air exerce une pression sur une surface terrestre, sa température augmente car il est forcé de se dilater.

D'autre part, si l'autre surface est gazeuse et a une densité plus faible, sa température diminuera lorsqu'elle ressentira une pression plus élevée, obligeant ses particules à se condenser.

Les procédés adiabatiques sont idéaux pour de nombreux processus industriels, dans lesquels les pertes de chaleur plus faibles entraînent des performances moindres qui se reflètent dans les coûts. Pour le considérer comme tel, le flux de chaleur doit être nul ou la quantité de chaleur introduite doit être égale à la quantité qui entre dans le système.

Processus isothermes

Les processus isothermes sont tous ceux dans lesquels la température du système reste constante. Cela se fait en faisant du travail, de sorte que les autres variables (P et V) varient avec le temps.

Des exemples

Des exemples de ce type de processus thermodynamique sont innombrables. Essentiellement, une grande partie de l'activité cellulaire se produit à une température constante (échange d'ions et d'eau à travers les membranes cellulaires). Dans les réactions chimiques, tous ceux qui établissent des équilibres thermiques sont considérés comme des processus isothermes.

Le métabolisme humain parvient à maintenir la température corporelle constante (environ 37 ° C) grâce à une série de réactions chimiques. Ceci est réalisé grâce à l'énergie obtenue de la nourriture.

Les changements de phase sont également des processus isothermes. Par exemple, lorsqu'un liquide gèle, il dégage de la chaleur, empêchant la température de diminuer jusqu'à ce qu'il soit complètement en phase solide. Une fois que cela se produit, la température peut continuer à diminuer, car le solide ne libère plus d'énergie.

Dans les systèmes qui impliquent des gaz idéaux, la variation de l’énergie interne U est nulle, toute la chaleur est donc utilisée pour effectuer le travail.

Processus isobares

Dans ces processus, la pression dans le système reste constante, en variant son volume et sa température. En général, ils peuvent se produire dans des systèmes ouverts à l'atmosphère ou dans des systèmes fermés dont les limites peuvent être déformées par l'augmentation du volume, de manière à contrer l'augmentation de la pression.

Des exemples

Dans les cylindres à l'intérieur des moteurs, lorsque le gaz est chauffé, il pousse le piston, ce qui modifie le volume du système.

Si cela ne se produisait pas, la pression augmenterait, puisque le système n'a pas la capacité de réduire les collisions d'espèces gazeuses sur les parois du cylindre.

Processus isochoriques

Dans les processus isochoriques, le volume reste constant. Il peut également être considéré comme ceux pour lesquels le système ne génère aucun travail (W = 0).

Fondamentalement, il s’agit de phénomènes physiques ou chimiques étudiés dans tout conteneur, agité ou non.

Des exemples

Des exemples de ces procédés sont la cuisson des aliments, la préparation du café, le refroidissement d'une bouteille de glace, la cristallisation du sucre, la dissolution d'un précipité peu soluble, une chromatographie par échange d'ions, entre autres.

Références

1. Jones, Andrew Zimmerman. (17 septembre 2016). Qu'est-ce qu'un processus thermodynamique? Tiré de: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Processus thermodynamiques. [PDF] Tiré de: courses.washington.edu
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4. Kevin Wandrei (2018).Quels sont les exemples de tous les jours des première et deuxième lois de la thermodynamique? Hearst Seattle Media, LLC. Tiré de: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). La seconde loi de la thermodynamique. Tiré de: entropysite.oxy.edu
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