ZMIENNE TERMODYNAMICZNE: CZYM SĄ I ROZWIĄZANE ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2025

Te zmienne termodynamiczne lub zmienne stanu są te wielkości charakteryzujące makroskopowe systemu termodynamicznego, najbardziej znany ciśnienia, objętości, temperatur i masę. Są bardzo przydatne przy opisywaniu systemów z wieloma wejściami i wyjściami. Poza wymienionymi powyżej istnieje wiele równie ważnych zmiennych stanu. Dokonany wybór zależy od systemu i jego złożoności.

Samolot pełen pasażerów lub samochód można traktować jako systemy, a ich zmienne obejmują, oprócz masy i temperatury, ilość paliwa, położenie geograficzne, prędkość, przyspieszenie i oczywiście wiele innych.

Rysunek 1. Samolot można badać jako system termodynamiczny. Źródło: Pixabay.

Jeśli można zdefiniować tak wiele zmiennych, kiedy zmienną uznaje się za stan? Te, w których proces, w którym zmienna nabiera swojej wartości, nie ma znaczenia, są uważane za takie.

Z drugiej strony, gdy charakter transformacji wpływa na końcową wartość zmiennej, nie jest już uważana za zmienną stanu. Ważnymi tego przykładami są praca i ciepło.

Wiedza o zmiennych stanu pozwala fizycznie opisuje system, w danym czasie t _o . Dzięki doświadczeniu powstają modele matematyczne, które opisują ich ewolucję w czasie i przewidują stan w czasie t> t _o .

Zmienne intensywne, obszerne i specyficzne

W przypadku gazu, który jest układem często badanym w termodynamice, masa jest jedną z głównych zmiennych stanu i fundamentalnych każdego układu. Jest to związane z ilością zawartej w nim materii. W systemie międzynarodowym jest mierzona w kg.

Masa jest bardzo ważna w systemie, a właściwości termodynamiczne są klasyfikowane w zależności od tego, czy od niej zależą:

-Intensywne: są niezależne od masy i rozmiaru, na przykład temperatury, ciśnienia, lepkości i ogólnie od tych, które odróżniają jeden system od drugiego.

- Obszerne: te, które różnią się wielkością systemu i jego masą, na przykład wagę, długość i objętość.

-Specyficzne: te otrzymane przez wyrażenie rozległych właściwości na jednostkę masy. Wśród nich są ciężar właściwy i objętość właściwa.

Aby rozróżnić typy zmiennych, wyobraź sobie podział systemu na dwie równe części: jeśli wielkość pozostaje taka sama w każdej z nich, jest to zmienna intensywna. Jeśli tak nie jest, jego wartość spada o połowę.

-Ciśnienie, objętość i temperatura

Tom

Jest to przestrzeń zajmowana przez system. Jednostką objętości w systemie międzynarodowym jest metr sześcienny: m ³ . Inne powszechnie stosowane jednostki to cale sześcienne, stopy sześcienne i litr.

Nacisk

Jest to wielkość skalarna wynikająca z ilorazu składowej prostopadłej siły działającej na ciało i jego powierzchni. Jednostką ciśnienia w układzie międzynarodowym jest niuton / m ² lub paskal (Pa).

Oprócz Pascala ciśnienie ma wiele jednostek, które są używane w zależności od obszaru. Obejmują one psi, atmosferę (atm), bary i milimetry słupa rtęci (mmHg).

Temperatura

W jej interpretacji na poziomie mikroskopowym temperatura jest miarą energii kinetycznej cząsteczek tworzących badany gaz. A na poziomie makroskopowym wskazuje kierunek przepływu ciepła podczas stykania się dwóch systemów.

Jednostką temperatury w systemie międzynarodowym jest kelwin (K), istnieją również skale Celsjusza (ºC) i Fahrenheita (ºF).

Rozwiązane ćwiczenia

W tej sekcji równania zostaną wykorzystane do uzyskania wartości zmiennych, gdy system znajduje się w określonej sytuacji. Chodzi o równania stanu.

Równanie stanu to model matematyczny, który wykorzystuje zmienne stanu i modeluje zachowanie systemu. Jako przedmiot badań proponuje się gaz doskonały, który składa się z zestawu cząsteczek zdolnych do swobodnego poruszania się, ale bez interakcji między sobą.

Proponowane równanie stanu dla gazów doskonałych to:

Gdzie P to ciśnienie, V to objętość, N to liczba cząsteczek, a k to stała Boltzmanna.

-Ćwiczenie 1

Napompowałeś opony swojego samochodu do zalecanego przez producenta ciśnienia 3,21 × 10 ⁵ Pa, w miejscu, gdzie temperatura wynosiła –5,00 ° C, ale teraz chcesz iść na plażę, gdzie jest 28 ° C. Wraz ze wzrostem temperatury objętość opony wzrosła o 3%.

Rysunek 2. Gdy temperatura wzrasta z -5ºC do 28ºC, powietrze w oponach rozszerza się i nie ma żadnych strat. ciśnienie wzrasta. Źródło: Pixabay.

Znajdź ciśnienie końcowe w oponie i wskaż, czy przekroczyło tolerancję podaną przez producenta, która nie może przekroczyć 10% ciśnienia zalecanego.

Rozwiązanie

Dostępny jest model gazu doskonałego, dlatego zakłada się, że powietrze w oponach będzie zgodne z podanym równaniem. Przyjmie również, że w oponach nie ma wycieków powietrza, więc liczba moli jest stała:

Uwzględniono warunek, że ostateczna objętość wzrosła o 3%:

Znane dane są zastępowane, a ciśnienie końcowe zostaje usunięte. Ważne: temperaturę należy wyrazić w kelwinach: T (K) = T (° C) + 273,15

Producent wskazał, że tolerancja wynosi 10%, dlatego maksymalna wartość ciśnienia to:

Możesz bezpiecznie dojechać na plażę, przynajmniej jeśli chodzi o opony, ponieważ nie przekroczyłeś ustalonego limitu ciśnienia.

Ćwiczenie 2

Idealny gaz ma objętość 30 litrów w temperaturze 27 ° C i ciśnieniu 2 atm. Utrzymując ciśnienie na stałym poziomie, znajdź jego objętość, gdy temperatura przekroczy -13 ºC.

Rozwiązanie

Jest to proces pod stałym ciśnieniem (proces izobaryczny). W takim przypadku równanie stanu gazu doskonałego upraszcza się do:

Ten wynik jest znany jako prawo Charlesa. Dostępne dane to:

Rozwiązywanie i zastępowanie:

Bibliografia

1. Borgnakke. 2009. Podstawy termodynamiki. 7 ^th Edition. Wiley and Sons. 13-47.
2. Cengel, rok 2012. Termodynamika. Edycja 7 ^ma . McGraw Hill. 2-6.
3. Podstawowe pojęcia układów termodynamicznych. Odzyskany z: textcientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Wprowadzenie do fizykochemii: termodynamika. Osoba. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Termodynamika podstawowa i stosowana. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Uniwersytet Navojoa. Podstawy fizykochemii. Odzyskany z: fqb-unav.forosactivos.net