PROCESSOS TERMODINÀMICS: TIPUS I EXEMPLES - QUIMICA - 2026

Els processos termodinàmics són els fenòmens físics o químics que involucren un flux de calor (energia) o treball entre un sistema i els seus voltants. Quan es parla de calor, racionalment ve al cap la imatge d'el foc, la qual és la manifestació per excel·lència d'un procés que allibera molta energia tèrmica.

El sistema pot ser tant macroscòpic (un tren, un coet, un volcà) com microscòpic (àtoms, bacteris, molècules, punts quàntics, etc.). Aquest es separa de la resta de l'univers per a considerar la calor o treball que entra o surt d'aquest.

No obstant això, no només hi ha el flux de calor, sinó que els sistemes també poden generar canvis en alguna variable del seu entorn com a resposta de l'fenomen considerat. D'acord amb les lleis termodinàmiques, ha d'haver una compensació entre resposta i calor perquè la matèria i l'energia es conservin sempre.

L'anterior és vàlid per a sistemes macroscòpics i microscòpics. La diferència entre els primers i els últims són les variables que es consideren per definir els seus estats energètics (en essència, l'inicial i el final).

No obstant això, els models termodinàmics persegueixen connectar els dos mons mitjançant el control de variables com la pressió, el volum i la temperatura dels sistemes, mantenint alguna d'aquestes constants per estudiar l'efecte de les altres.

El primer model que permet aquesta aproximació és el dels gasos ideals (PV = nRT), on n és el nombre de mols, que a l'dividir-se entre el volum V s'obté el volum molar.

Llavors, expressant els canvis entre sistema-entorn en funció d'aquestes variables, es poden definir altres com el treball (PV = W), indispensable per a les màquines i els processos industrials.

D'altra banda, per als fenòmens químics resulta de major interès un altre tipus de variables termodinàmiques. Aquestes es relacionen directament amb l'alliberament o absorció d'energia, i depenen de la naturalesa intrínseca de les molècules: la formació i els tipus d'enllaços.

Sistemes i fenòmens en processos termodinàmics

A la imatge superior es representen els tres tipus de sistemes: tancat, obert i adiabàtic.

En el sistema tancat no hi ha transferència de matèria entre aquest i els seus voltants, de manera que cap matèria pot entrar ni sortir; però, l'energia sí que pot solcar les fronteres de la caixa. En altres paraules: el fenomen F pot alliberar o absorbir energia, modificant així el que està més enllà de la caixa.

Per la seva banda, en el sistema obert els horitzons de sistema tenen les seves línies de punts, el que significa que tant l'energia com la matèria poden anar i venir entre aquest i els voltants.

Finalment, en un sistema aïllat l'intercanvi de matèria i energia entre aquest i els voltants és nul; per aquesta raó, en la imatge la tercera caixa es troba tancada en una bombolla. Cal aclarir que els voltants poden ser la resta de l'univers, i que l'estudi és el que defineix fins on considerar l'abast de el sistema.

Fenòmens físics i químics

Què és específicament el fenomen F? Indicat per la lletra F i dins d'un cercle groc, el fenomen és un canvi que té lloc i pot tractar-se de la modificació física de la matèria, o de la seva transformació.

Quina és la diferència? Succintament: en el primer no ocorren el trencament ni la creació de nous enllaços, mentre que en el segon si.

Així, es pot considerar un procés termodinàmic d'acord si el fenomen és físic o químic. No obstant això, tots dos tenen en comú un canvi en alguna propietat molecular o atòmica.

Exemples de fenòmens físics

L'escalfar aigua en una olla provoca un augment de les col·lisions entre les seves molècules, fins al punt en què la pressió del seu vapor s'iguala a la pressió atmosfèrica, i llavors passa el canvi de fase de líquid a gas. En altres paraules: l'aigua s'evapora.

Aquí les molècules aigua no estan trencant cap dels seus enllaços, però sí pateixen canvis energètics; o el que és el mateix, l'energia interna U d'l'aigua es veu modificada.

Quines són les variables termodinàmiques per a aquest cas? La pressió atmosfèrica P _ex, la temperatura producte de la combustió de gas de cuina i el volum de l'aigua.

La pressió atmosfèrica és constant, però no ho és la temperatura de l'aigua, ja que s'escalfa; ni el volum, perquè les seves molècules es dilaten en l'espai. Aquest és un exemple de fenomen físic dins d'un procés isobàric; és a dir, un sistema termodinàmic a pressió constant.

I si es fica l'aigua amb uns fesols dins d'una olla de pressió? En aquest cas, el volum roman constant (mentre no s'alliberi la pressió a l'coure els grans), però la pressió i la temperatura canvien.

Això es deu al fet que el gas produït no pot escapar i Revolta sobre les parets de l'olla i la superfície de el líquid. Es parla llavors d'un altre fenomen físic però dins d'un procés isocor.

Exemples de fenòmens químics

Es va esmentar que hi ha variables termodinàmiques inherents a factors microscòpics, com l'estructura molecular o atòmica. Quines són aquestes variables? L'entalpia (H), l'entropia (S), l'energia interna (U) i l'energia lliure de Gibbs (S).

Aquestes variables intrínseques de la matèria es defineixen i s'expressen en termes de les variables termodinàmiques macroscòpiques (P, T i V), d'acord amb el model matemàtic seleccionat (generalment el dels gasos ideals). Gràcies a això es poden realitzar estudis termodinàmics als fenòmens químics.

Per exemple, es vol estudiar una reacció química de l'tipus A + B => C, però la reacció només passa a una temperatura de 70 ºC. A més, a temperatures superiors als 100 ºC, en lloc de produir-C, es genera D.

Amb aquestes condicions, el reactor (el muntatge on es porta a terme la reacció) ha de garantir una temperatura constant al voltant dels 70 ºC, per la qual cosa el procés és isotèrmic.

Tipus i exemples de processos termodinàmics

processos adiabàtics

Són aquells en els quals no hi ha transferència neta entre el sistema i els seus voltants. Això a llargs terminis es garanteix mitjançant un sistema aïllat (la caixa dins de la bombolla).

exemples

Un exemple d'això són els calorímetres, els quals determinen la quantitat de calor alliberada o absorbida d'una reacció química (combustió, dissolució, oxidació, etc.).

Dins dels fenòmens físics es troba el moviment que genera el gas calent a causa de la pressió exercida sobre els pistons. Així mateix, quan un corrent d'aire realitza pressió sobre una superfície terrestre, la seva temperatura augmenta ja que es veu obligada a expandir-se.

D'altra banda, si l'altra superfície és gasosa i presenta menor densitat, disminuirà la seva temperatura a l'sentir una pressió superior, obligant a condensar les seves partícules.

Els processos adiabàtics són ideals per a molts processos industrials, en què la menor pèrdua de calor implica un rendiment menor que es reflecteix en els costos. Per considerar-lo com a tal, el flux de calor ha de ser nul o la quantitat de calor que entra ha de ser igual a la que entra a el sistema.

processos isotèrmics

Els processos isotèrmics són tots aquells en els quals la temperatura de sistema roman constant. Això ho fa fent feina, de manera que les altres variables (P i V) varien amb el temps.

exemples

Exemples d'aquest tipus de procés termodinàmic són innombrables. En essència, gran part de l'activitat cel·lular té lloc a temperatura constant (l'intercanvi d'ions i aigua a través de les membranes cel·lulars). Dins de les reaccions químiques, totes aquelles que estableixin equilibris tèrmics són considerades processos isotèrmics.

El metabolisme humà aconsegueix mantenir constant la temperatura de el cos (aproximadament 37 ºC) mitjançant una àmplia sèrie de reaccions químiques. Això s'aconsegueix gràcies a l'energia que s'obté dels aliments.

Els canvis de fase també són processos isotèrmics. Per exemple, quan un líquid es congela s'allibera calor, evitant que la temperatura segueixi disminuint fins que estigui completament en fase sòlida. Un cop passi això, la temperatura pot continuar disminuint, a causa que el sòlid ja no allibera energia.

En aquells sistemes que involucrin gasos ideals el canvi de l'energia interna U és zero, de manera que tota la calor s'aprofita per realitzar treball.

processos isobàrics

En aquests processos la pressió en el sistema roman constant, variant el seu volum i temperatura. En general, poden ocórrer en sistemes oberts a l'atmosfera, o en sistemes tancats els límits puguin ser deformats per l'augment de volum, de manera que contraresti l'augment de la pressió.

exemples

En els cilindres dins dels motors, quan s'escalfa el gas, aquest empeny el pistó, el que modifica el volum de sistema.

Si no és així la pressió augmentaria, ja que el sistema no té com reduir les col·lisions de les espècies gasoses sobre les parets de l'cilindre.

processos isocóricos

En els processos isocóricos el volum roman constant. També pot considerar-se com aquells en els quals el sistema no genera cap treball (W = 0).

Bàsicament, són fenòmens físics o químics que s'estudien dins de qualsevol recipient, ja sigui amb agitació o no.

exemples

Exemples d'aquests processos són la cocció d'aliments, la preparació de cafè, el refredament d'un pot de gelat, la cristal·lització de l'sucre, la dissolució d'un precipitat poc soluble, una cromatografia d'intercanvi iònic, entre d'altres.

referències

1. Jones, Andrew Zimmerman. (17 de setembre de 2016). What is a Thermodynamic Process? Pres de: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Thermodynamic processes.. Pres de: courses.washington.edu
3. Study (09 de agost de 2016). Thermodynamic Processes: Isobaric, Isochoric, Isothermal & adiabatic. Pres de: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018). What Are Some Everyday Examples of the First & Second Laws of Thermodynamics? Hearst Seattle Mitjana, LLC. Pres de: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). The Second Law of Thermodynamics. Pres de: entropysite.oxy.edu
6. 15 Thermodynamics.. Pres de: wright.edu