熱力学プロセスの理解:種類、方程式、および応用|化学

中心的な概念

この記事では、断熱過程、等張過程、等温過程、等圧過程という 4 つの熱力学過程とその圧力-体積曲線について説明します。この記事を読み終えると、システムが仕事や熱を通じてどのように周囲と相互作用できるのかを説明し、理解できるようになります。

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システムと環境

熱力学におけるシステム 研究対象のエンティティです。したがって、それ以外のものはすべて周囲です。このシステムの。システムとその周囲は、物質とエネルギーを交換することによって相互作用できます。システムには 3 つのタイプがあります:

分離されたシステム :周囲と物質もエネルギーも交換できないシステムです。その一例が魔法瓶です。フラスコは密閉されているため、物質の交換は行われません。また、魔法瓶は熱の対流、伝導、輻射を防ぐことであらゆる熱の伝達を防ぎます。これにより、フラスコ内の液体を長時間熱く保つことができます。
クローズドシステム ：周囲とのみエネルギーを交換できるシステムです。たとえば、加熱パッドやアイスパックは密閉システムです。それらはエネルギーの交換を可能にし、それによって熱がそれぞれから、またはそれらへ伝達されます。ただし、内部の液体は漏れないため、物質は交換されません。
オープンシステム :エネルギーと物質の両方を周囲と交換できるシステムです。蓋のない沸騰した鍋の場合がこれに該当します。鍋の周囲が暖かくなるため、エネルギーが交換されます。さらに、水の一部が蒸発して鍋から出ます。これは物質交換です。

理解しておくべき概念

熱力学的プロセスは、システム間およびシステム内のエネルギー (熱として) の移動を特徴づけます。これらは、プロセス全体で変化する、または一定のままであるシステムの特性を理解するのに役立ちます。ただし、プロセスに入る前に、次の 2 つのことを理解しておく必要があります。

圧力-体積曲線 :気体が膨張または圧縮されると、それぞれシステムによって、またはシステム上で仕事が行われます。これを方程式で表しますグラフ的に、体積の変化 (x 軸) に対して圧力 (y 軸) をプロットすると、結果の曲線の下の面積は仕事の値に等しくなります。

等圧、等張、等温、断熱の 4 つのプロセスがあります。

等圧プロセス

等圧プロセスは、圧力が一定の場合に発生するプロセスです。圧力は体積の変化に関係なく一定なので、曲線は水平な平坦な線であり、ワークはその下の長方形の領域です。

等圧過程のグラフ

等容性プロセス (等容性)

等容性プロセスは一定の体積の下で発生します。音量は固定なので、、私たちの曲線は、その下に領域のない垂直線となり、作業が行われていないことを意味します。置いたらを作業方程式に入れると、次の結果も得られます。。
これを熱力学第一法則の方程式に代入すると、次のようになります。。これは、システムのエネルギーの変化がシステムに加えられた熱に等しいことを意味します。