熱力学的プロセスは、システムとその周囲との間の熱流（エネルギー）または作業を伴う物理的または化学的な現象です。熱について話すとき、火のイメージが合理的に思い浮かびます。これは、大量の熱エネルギーを放出するプロセスの典型的な現れです。
システムは、巨視的（列車、ロケット、火山）と微視的（原子、細菌、分子、量子ドットなど）の両方が可能です。これは、他の宇宙から分離されて、そこに出入りする熱または仕事を考慮します。
ただし、熱流が存在するだけでなく、システムは、考慮される現象への応答として、環境内のいくつかの変数に変化を生成することもできます。熱力学の法則によれば、物質とエネルギーが常に保存されるように、応答と熱の間にはトレードオフが必要です。
上記は、巨視的および微視的システムに有効です。最初と最後の違いは、それらのエネルギー状態（本質的に、初期と最終）を定義すると見なされる変数です。
ただし、熱力学モデルは、システムの圧力、体積、温度などの変数を制御し、これらの定数の一部を維持して他の効果を研究することにより、両方の世界を接続しようとします。
この近似を可能にする最初のモデルは、理想気体（PV = nRT）のモデルです。ここで、nはモル数で、体積Vで割るとモル体積が得られます。
次に、システム環境間の変化をこれらの変数の関数として表すと、機械（産業プロセス）に不可欠な仕事（PV = W）など、他のものを定義できます。
一方、化学現象については、他のタイプの熱力学変数がより重要になります。これらはエネルギーの放出または吸収に直接関係しており、分子の本質的な性質である結合の形成とタイプに依存します。
熱力学的プロセスのシステムと現象
上の画像には、閉じた、開いた、断熱の3つのタイプのシステムが示されています。
閉じたシステムでは、それとその周囲との間で物質の移動がないため、物質が出入りすることはできません。ただし、エネルギーはボックスの境界を越えることができます。言い換えれば、現象Fはエネルギーを放出または吸収することができるため、ボックスを超えたものを変更します。
一方、オープンシステムでは、システムの水平線に点線が表示されます。これは、エネルギーと物質の両方がシステムと周囲の間を行き来できることを意味します。
最後に、隔離されたシステムでは、それと周囲の間の物質とエネルギーの交換はゼロです。このため、画像では3番目のボックスがバブルで囲まれています。周囲が宇宙の残りの部分になる可能性があること、および研究がシステムの範囲をどの程度まで考慮するかを定義する研究であることを明確にする必要があります。
物理的および化学的現象
具体的には現象Fとは何ですか？Fの文字で示され、黄色の円内に示されている現象は、発生する変化であり、物質の物理的な変更またはその変換です。
違いはなんですか？簡潔に言うと、最初のリンクは壊れたり新しいリンクを作成したりせず、2番目のリンクは壊れません。
したがって、現象が物理的であるか化学的であるかに応じて、熱力学的プロセスを考慮することができます。ただし、両方の分子または原子の特性に共通の変化があります。
物理現象の例
鍋の水を加熱すると、その分子間の衝突が増加し、その蒸気の圧力が大気圧に等しくなるまで、液体から気体への相変化が起こります。つまり、水が蒸発します。
ここで、水分子はそれらの結合のいずれも壊していませんが、それらはエネルギーの変化を受けています。または同じである場合、水の内部エネルギーUが変更されます。
この場合の熱力学変数は何ですか？大気圧P ex、調理ガスの燃焼の温度積、および水の体積。
大気圧は一定ですが、熱くなるため、水の温度は一定ではありません。分子は空間で膨張するため、体積もありません。これは、等圧プロセス内の物理現象の例です。つまり、一定圧力での熱力学システムです。
豆と一緒に水を圧力鍋に入れたらどうでしょう？この場合、体積は一定のままですが（豆が調理されたときに圧力が解放されない限り）、圧力と温度は変化します。
これは、生成されたガスが逃げることができず、ポットの壁と液体の表面で跳ね返るからです。次に、別の物理的現象について話しますが、等容性のプロセス内です。
化学現象の例
分子構造や原子構造などの微視的要因に固有の熱力学的変数があることが言及されました。これらの変数は何ですか？エンタルピー（H）、エントロピー（S）、内部エネルギー（U）、ギブズの自由エネルギー（S）。
物質のこれらの固有変数は、選択された数学モデル（通常は理想気体のモデル）に従って、巨視的な熱力学変数（P、T、V）で定義および表現されます。このおかげで、熱力学的研究を化学現象に対して行うことができます。
たとえば、タイプA + B => Cの化学反応を研究したいとしますが、反応は70℃の温度でのみ発生します。さらに、100ºCを超える温度では、Cが生成される代わりに、D。
これらの条件下では、反応器（反応が行われるアセンブリ）は約70℃の一定温度を保証する必要があるため、プロセスは等温です。
熱力学的プロセスの種類と例
断熱プロセス
それらは、システムとその周囲との間に正味の移動がないものです。これは、長期的には独立したシステム（バブル内のボックス）によって保証されます。
例
これの例は、化学反応（燃焼、溶解、酸化など）から放出または吸収される熱量を決定する熱量計です。
物理現象の中には、ピストンに加えられる圧力によって高温ガスによって生成される動きがあります。同様に、気流が地表に圧力を加えると、強制的に膨張するため、その温度が上昇します。
一方、もう一方の表面がガス状で密度が低い場合、圧力が高くなると表面の温度が下がり、粒子が凝縮します。
断熱プロセスは、多くの産業プロセスに理想的です。熱損失が低いと、パフォーマンスが低下し、コストに反映されます。そのように考えるには、熱流がゼロであるか、システムに入る熱量がシステムに入る熱量と等しくなければなりません。
等温プロセス
等温プロセスとは、システムの温度が一定に保たれるすべてのプロセスです。これは、他の変数（PおよびV）が時間とともに変化するように、作業を行うことによって行われます。
例
このタイプの熱力学的プロセスの例は無数にあります。本質的に、細胞活動の多くは一定温度で行われます（細胞膜を横切るイオンと水の交換）。化学反応では、熱平衡を確立するものはすべて等温プロセスと見なされます。
人間の代謝は、幅広い一連の化学反応を通じて一定の体温（約37°C）を維持します。これは、食物から得られるエネルギーのおかげで達成されます。
相変化も等温プロセスです。たとえば、液体が凍結すると熱を放出し、完全に固相になるまで温度が低下し続けるのを防ぎます。これが発生すると、固体はエネルギーを放出しなくなるため、温度は低下し続けます。
理想的なガスを含むシステムでは、内部エネルギーUの変化はゼロであるため、すべての熱が仕事に使用されます。
等圧プロセス
これらのプロセスでは、システム内の圧力は一定のままで、その体積と温度が変化します。一般に、それらは大気に開放されたシステム、または圧力の増加に対抗する方法で体積の増加によって境界が変形する可能性がある閉鎖システムで発生する可能性があります。
例
エンジン内部のシリンダーでは、ガスが加熱されると、ピストンを押してシステムの容積を変化させます。
これが当てはまらない場合、システムにはシリンダー壁でのガス種の衝突を減らす方法がないため、圧力が増加します。
等張性プロセス
定容プロセスでは、ボリュームは一定のままです。これは、システムが作業を生成しないもの（W = 0）と見なすこともできます。
基本的に、これらは物理的または化学的現象であり、攪拌の有無に関わらず、あらゆる容器内で研究されます。
例
これらのプロセスの例は、とりわけ、食品の調理、コーヒーの準備、アイスクリームボトルの冷却、砂糖の結晶化、難溶性沈殿物の溶解、イオン交換クロマトグラフィーです。
参考文献
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