CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC: CÁC LOẠI VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2025

Các quá trình nhiệt động lực học là các hiện tượng vật lý hoặc hóa học liên quan đến dòng nhiệt (năng lượng) hoặc hoạt động giữa một hệ thống và môi trường xung quanh nó. Khi nói về nhiệt, người ta nghĩ ngay đến hình ảnh ngọn lửa, đây là biểu hiện tinh túy của một quá trình giải phóng nhiều năng lượng nhiệt.

Hệ thống có thể vừa vĩ mô (tàu hỏa, tên lửa, núi lửa) vừa là vi mô (nguyên tử, vi khuẩn, phân tử, chấm lượng tử, v.v.). Điều này được tách ra khỏi phần còn lại của vũ trụ để xem xét nhiệt hoặc công việc đi vào hoặc rời khỏi nó.

Tuy nhiên, không chỉ tồn tại dòng nhiệt mà các hệ thống còn có thể tạo ra những thay đổi trong một số biến trong môi trường của chúng như một phản ứng đối với hiện tượng được xem xét. Theo định luật nhiệt động lực học, phải có sự cân bằng giữa phản ứng và nhiệt để vật chất và năng lượng luôn được bảo toàn.

Trên đây là đúng cho các hệ thống vĩ mô và vi mô. Sự khác biệt giữa biến đầu tiên và biến cuối cùng là các biến được coi là xác định trạng thái năng lượng của chúng (về bản chất, ban đầu và cuối cùng).

Tuy nhiên, các mô hình nhiệt động lực học tìm cách kết nối cả hai thế giới bằng cách kiểm soát các biến số như áp suất, thể tích và nhiệt độ của hệ thống, giữ một số hằng số này để nghiên cứu ảnh hưởng của những hằng số khác.

Mô hình đầu tiên cho phép tính gần đúng này là của khí lý tưởng (PV = nRT), với n là số mol, khi chia cho thể tích V sẽ cho thể tích mol.

Sau đó, thể hiện những thay đổi giữa hệ thống và môi trường xung quanh như một hàm của những biến này, những biến khác có thể được xác định, chẳng hạn như công việc (PV = W), cần thiết cho máy móc và quy trình công nghiệp.

Mặt khác, đối với các hiện tượng hóa học, các dạng biến nhiệt động khác được quan tâm nhiều hơn. Những điều này liên quan trực tiếp đến việc giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng, và phụ thuộc vào bản chất bên trong của các phân tử: sự hình thành và các loại liên kết.

Các hệ thống và hiện tượng trong các quá trình nhiệt động lực học

Trong hình trên, ba loại hệ thống được biểu diễn: đóng, mở và đoạn nhiệt.

Trong hệ thống khép kín, không có sự chuyển giao vật chất giữa nó và môi trường xung quanh, do đó không có vật chất nào có thể đi vào hoặc rời đi; tuy nhiên, năng lượng có thể vượt qua ranh giới của hộp. Nói cách khác: hiện tượng F có thể giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng, do đó biến đổi những gì nằm ngoài hộp.

Mặt khác, trong hệ thống mở, các chân trời của hệ thống có các đường chấm của chúng, có nghĩa là cả năng lượng và vật chất đều có thể đến và đi giữa nó và môi trường xung quanh.

Cuối cùng, trong một hệ thống cô lập, sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa nó và môi trường xung quanh bằng không; vì lý do này, trong hình hộp thứ ba được bao bọc trong một bong bóng. Cần phải làm rõ rằng môi trường xung quanh có thể là phần còn lại của vũ trụ, và nghiên cứu là nghiên cứu xác định phạm vi của hệ thống là bao xa.

Hiện tượng vật lý và hóa học

Cụ thể hiện tượng F là gì? Được biểu thị bằng chữ F và trong một vòng tròn màu vàng, hiện tượng này là một sự thay đổi diễn ra và có thể là sự biến đổi vật lý của vật chất hoặc sự biến đổi của nó.

Sự khác biệt là gì? Succinctly: cái đầu tiên không phá vỡ hoặc tạo liên kết mới, trong khi cái thứ hai thì có.

Như vậy, một quá trình nhiệt động có thể được xem xét tùy theo hiện tượng là vật lý hay hóa học. Tuy nhiên, cả hai đều có điểm chung là thay đổi một số tính chất phân tử hoặc nguyên tử.

Ví dụ về các hiện tượng vật lý

Đun nóng nước trong nồi gây ra sự gia tăng va chạm giữa các phân tử của nó, đến mức áp suất hơi của nó bằng áp suất khí quyển, và sau đó xảy ra sự chuyển pha từ lỏng sang khí. Nói cách khác: nước bay hơi.

Ở đây, các phân tử nước không phá vỡ bất kỳ liên kết nào của chúng, nhưng chúng đang trải qua những thay đổi về năng lượng; hoặc những gì giống nhau, nội năng U của nước bị biến đổi.

Các biến nhiệt động lực học cho trường hợp này là gì? Áp suất khí quyển P _ex , tích số nhiệt độ của quá trình đốt cháy khí nấu và thể tích của nước.

Áp suất khí quyển là không đổi, nhưng nhiệt độ của nước thì không, vì nó nóng lên; cũng không phải khối lượng, bởi vì các phân tử của nó giãn nở trong không gian. Đây là một ví dụ về một hiện tượng vật lý trong một quá trình đẳng áp; nghĩa là, một hệ thống nhiệt động lực học ở áp suất không đổi.

Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn cho nước với một ít đậu vào nồi áp suất? Trong trường hợp này, thể tích không đổi (miễn là áp suất không được giải phóng khi đậu chín), nhưng áp suất và nhiệt độ thay đổi.

Điều này là do khí sinh ra không thể thoát ra ngoài và bật ra thành bình và bề mặt chất lỏng. Sau đó chúng ta nói về một hiện tượng vật lý khác nhưng trong một quá trình đẳng tích.

Ví dụ về các hiện tượng hóa học

Người ta đã đề cập rằng có những biến nhiệt động lực học vốn có đối với các yếu tố vi mô, chẳng hạn như cấu trúc phân tử hoặc nguyên tử. Các biến này là gì? Entanpi (H), entropi (S), nội năng (U) và năng lượng tự do Gibbs (S).

Các biến nội tại này của vật chất được xác định và biểu thị dưới dạng các biến nhiệt động lực học vĩ mô (P, T và V), theo mô hình toán học đã chọn (nói chung là của khí lý tưởng). Nhờ các nghiên cứu nhiệt động lực học này có thể được thực hiện trên các hiện tượng hóa học.

Ví dụ, bạn muốn nghiên cứu một phản ứng hóa học thuộc loại A + B => C, nhưng phản ứng chỉ xảy ra ở nhiệt độ 70ºC. Hơn nữa, ở nhiệt độ trên 100 ºC, thay vì C được tạo ra, D.

Trong điều kiện này, lò phản ứng (nơi phản ứng diễn ra) phải đảm bảo nhiệt độ ổn định khoảng 70ºC, do đó quá trình là đẳng nhiệt.

Các dạng và ví dụ về quá trình nhiệt động lực học

Quy trình đoạn nhiệt

Chúng là những hệ thống không có sự chuyển giao ròng giữa hệ thống và môi trường xung quanh nó. Điều này về lâu dài được đảm bảo bởi một hệ thống cô lập (hộp bên trong bong bóng).

Ví dụ

Một ví dụ về điều này là nhiệt lượng kế, xác định lượng nhiệt được giải phóng hoặc hấp thụ từ một phản ứng hóa học (đốt cháy, hòa tan, oxy hóa, v.v.).

Trong các hiện tượng vật lý là chuyển động tạo ra bởi khí nóng do áp suất tác dụng lên các piston. Tương tự như vậy, khi một dòng không khí tạo áp suất lên bề mặt đất, nhiệt độ của nó tăng lên khi nó bị buộc phải nở ra.

Mặt khác, nếu bề mặt kia là thể khí và có tỷ trọng thấp hơn, nhiệt độ của nó sẽ giảm khi cảm thấy áp suất cao hơn, buộc các hạt của nó phải ngưng tụ lại.

Quy trình đoạn nhiệt là lý tưởng cho nhiều quy trình công nghiệp, trong đó tổn thất nhiệt thấp hơn có nghĩa là hiệu suất thấp hơn được phản ánh trong chi phí. Để coi nó như vậy, dòng nhiệt phải bằng không hoặc lượng nhiệt đi vào hệ thống phải bằng nhiệt lượng đi vào hệ thống.

Quá trình đẳng nhiệt

Quá trình đẳng nhiệt là tất cả những quá trình trong đó nhiệt độ của hệ không đổi. Nó thực hiện điều này bằng cách thực hiện công việc, do đó các biến khác (P và V) thay đổi theo thời gian.

Ví dụ

Vô số ví dụ về loại quá trình nhiệt động lực học này. Về bản chất, phần lớn hoạt động của tế bào diễn ra ở nhiệt độ không đổi (sự trao đổi ion và nước qua màng tế bào). Trong các phản ứng hóa học, tất cả những phản ứng thiết lập cân bằng nhiệt đều được coi là quá trình đẳng nhiệt.

Sự trao đổi chất của con người quản lý để duy trì nhiệt độ cơ thể không đổi (khoảng 37ºC) thông qua một loạt các phản ứng hóa học. Điều này đạt được nhờ vào năng lượng thu được từ thức ăn.

Sự thay đổi pha cũng là quá trình đẳng nhiệt. Ví dụ, khi chất lỏng đóng băng nó sẽ giải phóng nhiệt, ngăn nhiệt độ tiếp tục giảm cho đến khi nó hoàn toàn ở trong pha rắn. Một khi điều này xảy ra, nhiệt độ có thể tiếp tục giảm, vì chất rắn không còn giải phóng năng lượng.

Trong những hệ thống liên quan đến khí lý tưởng, sự thay đổi nội năng U bằng không, vì vậy tất cả nhiệt được sử dụng để thực hiện công việc.

Quy trình Isobaric

Trong các quá trình này, áp suất trong hệ thống không đổi, thể tích và nhiệt độ thay đổi. Nói chung, chúng có thể xảy ra trong các hệ thống mở với khí quyển hoặc trong các hệ thống kín mà ranh giới của chúng có thể bị biến dạng do sự gia tăng thể tích, theo cách chống lại sự gia tăng áp suất.

Ví dụ

Trong các xi lanh bên trong động cơ, khi khí được đốt nóng, nó sẽ đẩy piston, làm thay đổi thể tích của hệ thống.

Nếu không đúng như vậy, áp suất sẽ tăng lên, vì hệ thống không có cách nào làm giảm sự va chạm của các loại khí vào thành xi lanh.

Quy trình đẳng tích

Trong quá trình đẳng tích, thể tích không đổi. Nó cũng có thể được coi là những hệ thống không tạo ra bất kỳ công việc nào (W = 0).

Về cơ bản, chúng là các hiện tượng vật lý hoặc hóa học được nghiên cứu bên trong bất kỳ vật chứa nào, cho dù có kích động hay không.

Ví dụ

Ví dụ về các quá trình này là nấu thức ăn, pha chế cà phê, làm lạnh chai kem, kết tinh đường, hòa tan kết tủa kém hòa tan, sắc ký trao đổi ion, v.v.

Người giới thiệu

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, ngày 17 tháng 9). Quy trình Nhiệt động lực học là gì? Lấy từ: thinkco.com
2. J. Wilkes. (2014). Các quá trình nhiệt động lực học. . Lấy từ: Course.washington.edu
3. Học (09/08/2016). Quá trình nhiệt động: Isobaric, Isochoric, Isothermal & Adiabatic. Lấy từ: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018). Một số ví dụ hàng ngày về định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học là gì? Hearst Seattle Media, LLC. Lấy từ: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Lấy từ: entropysite.oxy.edu
6. 15 Nhiệt động lực học. . Lấy từ: wright.edu