TERMODYNAMISKE VARIABLER: HVAD DE ER OG LØST ØVELSER - FYSISK - 2025

De termodynamiske variabler eller tilstandsvariabler er de makroskopiske mængder, der karakteriserer et termodynamisk system, det mest kendte tryk, volumen, temperatur og masse. De er meget nyttige til at beskrive systemer med flere input og output. Der er adskillige lige så vigtige tilstandsvariabler bortset fra dem, der allerede er nævnt. Valget afhænger af systemet og dets kompleksitet.

En flyvemaskine fuld af passagerer eller en bil kan betragtes som systemer, og deres variabler inkluderer foruden masse og temperatur mængden af ​​brændstof, geografisk placering, hastighed, acceleration og selvfølgelig mange flere.

Figur 1. Et fly kan studeres som et termodynamisk system. Kilde: Pixabay.

Hvis der kan defineres så mange variabler, hvornår betragtes en variabel som tilstand? De, hvor processen, hvorpå variablen erhverver sin værdi, ikke betyder noget, betragtes som sådan.

På den anden side betragtes den ikke længere som en tilstandsvariabel, når omdannelsens art påvirker den endelige værdi af variablen. Vigtige eksempler på disse er arbejde og varme.

Kendskabet til tilstandsvariable tillader fysisk beskrive systemet i et givet tidspunkt t _o. Takket være erfaringerne oprettes matematiske modeller, der beskriver deres udvikling over tid og forudsiger tilstanden på tidspunktet t> t _o.

Intensive, omfattende og specifikke variabler

I tilfælde af en gas, som er et system, der ofte studeres i termodynamik, er masse en af ​​de vigtigste tilstande og grundlæggende variabler i ethvert system. Det er relateret til mængden af ​​stof, den indeholder. I det internationale system måles det i kg.

Masse er meget vigtig i et system, og termodynamiske egenskaber klassificeres efter, om de er afhængige af det eller ikke:

-Intensive: de er uafhængige af masse og størrelse, for eksempel temperatur, tryk, viskositet og generelt dem, der adskiller et system fra et andet.

-Et omfattende: de der varierer med størrelsen på systemet og dets masse, såsom vægt, længde og volumen.

-Specifikt: dem opnået ved at udtrykke omfattende egenskaber pr. Masseenhed. Blandt dem er specifik tyngdekraft og specifik volumen.

For at skelne mellem de forskellige variabler, kan du forestille dig at opdele systemet i to lige store dele: hvis størrelsen forbliver den samme i hver, er det en intensiv variabel. Hvis det ikke er tilfældet, skæres værdien i halvdelen.

-Tryk, volumen og temperatur

Bind

Det er det rum, systemet besætter. Volumenheden i det internationale system er kubikmeter: m ³. Andre vidt anvendte enheder inkluderer kubik inches, kubikfod og liter.

Tryk

Det er en skalarstørrelse, der er givet af kvotienten mellem den vinkelrette komponent af den kraft, der påføres et legeme og dets område. Enheden for tryk i det internationale system er newton / m ² eller Pascal (Pa).

Foruden Pascal har trykket adskillige enheder, der bruges i henhold til området. Disse inkluderer psi, atmosfære (atm), stænger og millimeter kviksølv (mmHg).

Temperatur

I sin fortolkning på mikroskopisk niveau er temperaturen mål for den kinetiske energi i molekylerne, der udgør den undersøgte gas. Og på det makroskopiske niveau angiver det retningen på varmestrømmen, når man sætter to systemer i kontakt.

Temperaturenheden i det internationale system er Kelvin (K), og der er også Celsius (ºC) og Fahrenheit (ºF) skalaer.

Løst øvelser

I dette afsnit bruges ligninger til at få værdierne af variablerne, når systemet er i en bestemt situation. Det handler om statens ligninger.

En tilstandsligning er en matematisk model, der gør brug af tilstandsvariablerne og modellerer systemets opførsel. En ideel gas foreslås som et objekt til undersøgelse, der består af et sæt molekyler, der er i stand til at bevæge sig frit, men uden at interagere med hinanden.

Den foreslåede ligning af staten for ideelle gasser er:

Hvor P er trykket, V er volumen, N er antallet af molekyler, og k er Boltzmann-konstanten.

- Øvelse 1

Du blæste bilens dæk op til producentens anbefalede tryk på 3,21 × 10 ⁵ Pa, på et sted, hvor temperaturen var –5,00 ° C, men nu vil du gå til stranden, hvor den er 28 ° C. Med stigningen i temperatur er volumen på et dæk steget med 3%.

Figur 2. Når temperaturen stiger fra -5 ºC til 28 ºC, udvides luften i dækkene, og hvis der ikke er tab. trykket stiger. Kilde: Pixabay.

Find det endelige tryk i dækket, og angiv, om det har overskredet den tolerance, som fabrikanten har givet, hvilket ikke må overstige 10% af det anbefalede tryk.

Løsning

Den ideelle gasmodel er tilgængelig, derfor antages luften i dækkene at følge den givne ligning. Det antages også, at der ikke er nogen luft lækager i dækkene, så antallet af mol er konstant:

Betingelsen for, at det endelige volumen er steget med 3% er inkluderet:

De kendte data erstattes, og det endelige tryk fjernes. Vigtigt: temperaturen skal udtrykkes i Kelvin: T (K) = T (° C) + 273,15

Producenten har angivet, at tolerancen er 10%, derfor er den maksimale værdi af trykket:

Du kan sikkert rejse til stranden, i det mindste hvad angår dæk, da du ikke har overskredet den etablerede trykgrænse.

Øvelse 2

En ideel gas har et volumen på 30 liter ved en temperatur på 27 ° C og dens tryk på 2 atm. Hold trykket konstant, find dets volumen, når temperaturen passerer -13 ºC.

Løsning

Det er en konstant trykproces (isobarisk proces). I et sådant tilfælde forenkles tilstanden af ​​den ideelle gasligning til:

Dette resultat er kendt som Charles's lov. De tilgængelige data er:

Løsning og erstatning af:

Referencer

1. Borgnakke. 2009. Fundamentals of Thermodynamics. 7 ^th Edition. Wiley og sønner. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamik. 7 ^ma udgave. McGraw Hill. 2-6.
3. Grundlæggende koncepter for termodynamiske systemer. Gendannes fra: Textscientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Introduktion til fysisk kemi: termodynamik. Pearson. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Grundlæggende og anvendt termodynamik. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Navojoa University. Grundlæggende fysisk kemi. Gendannes fra: fqb-unav.forosactivos.net