TERMODYNAMISKA VARIABLER: VAD DE ÄR OCH LÖSTE ÖVNINGAR - FYSISK - 2025

De termodynamiska variablerna eller tillståndsvariablerna är de makroskopiska mängder som kännetecknar ett termodynamiskt system, det mest kända trycket, volymen, temperaturen och massan. De är mycket användbara för att beskriva system med flera in- och utgångar. Det finns många lika viktiga tillståndsvariabler, bortsett från de som redan nämnts. Valet beror på systemet och dess komplexitet.

Ett flygplan fullt av passagerare eller en bil kan betraktas som system och deras variabler inkluderar, förutom massa och temperatur, mängden bränsle, geografisk position, hastighet, acceleration och naturligtvis många fler.

Figur 1. Ett flygplan kan studeras som ett termodynamiskt system. Källa: Pixabay.

Om så många variabler kan definieras, när betraktas en variabel tillstånd? De där processen med vilken variabeln förvärvar sitt värde inte har någon betydelse betraktas som sådan.

Å andra sidan, när karaktären av transformationen påverkar variabelns slutvärde, betraktas den inte längre som en tillståndsvariabel. Viktiga exempel på dessa är arbete och värme.

Kunskapen om tillståndsvariablerna gör det möjligt att fysiskt beskriva systemet på en given tid t _o . Tack vare erfarenheten skapas matematiska modeller som beskriver deras utveckling över tid och förutsäger tillståndet vid tiden t> t _o .

Intensiva, omfattande och specifika variabler

När det gäller en gas, som är ett system som ofta studeras i termodynamik, är massan en av huvudtillstånd och grundläggande variabler i alla system. Det är relaterat till mängden materia den innehåller. I det internationella systemet mäts det i kg.

Massa är mycket viktigt i ett system och termodynamiska egenskaper klassificeras beroende på om de är beroende av det eller inte:

-Intensiv: de är oberoende av massa och storlek, till exempel temperatur, tryck, viskositet och i allmänhet de som skiljer ett system från ett annat.

-Et omfattande: de som varierar med storleken på systemet och dess massa, såsom vikt, längd och volym.

-Specifikt: de som erhålls genom att uttrycka omfattande egenskaper per massenhet. Bland dem är specifik vikt och specifik volym.

För att skilja mellan typer av variabler, tänk dig att dela upp systemet i två lika delar: om storleken förblir densamma i var och en, är det en intensiv variabel. Om det inte är det, skärs värdet i hälften.

-Tryck, volym och temperatur

Volym

Det är det utrymme som systemet tar upp. Volymenheten i det internationella systemet är kubikmeter: m ³ . Andra allmänt använda enheter inkluderar kubik tum, kubikfot och liter.

Tryck

Det är en skalstyrka som ges av kvoten mellan den vinkelräta komponenten av kraften som appliceras på en kropp och dess yta. Tryckenheten i det internationella systemet är newton / m ² eller Pascal (Pa).

Förutom Pascal har trycket många enheter som används i enlighet med området. Dessa inkluderar psi, atmosfär (atm), barer och millimeter kvicksilver (mmHg).

Temperatur

I sin tolkning på mikroskopisk nivå är temperaturen måttet på den kinetiska energin hos molekylerna som utgör gasen som studeras. Och på makroskopisk nivå indikerar det värmeflödesriktningen när två system sätts i kontakt.

Temperaturenheten i det internationella systemet är Kelvin (K) och det finns också skalorna Celsius (ºC) och Fahrenheit (ºF).

Lösta övningar

I detta avsnitt kommer ekvationer att användas för att få värdena på variablerna när systemet befinner sig i en viss situation. Det handlar om statens ekvationer.

En tillståndsekvation är en matematisk modell som använder sig av tillståndsvariablerna och modellerar systemets beteende. En idealisk gas föreslås som ett studieobjekt som består av en uppsättning molekyler som kan röra sig fritt men utan att interagera med varandra.

Den föreslagna tillståndsekvationen för ideala gaser är:

Där P är trycket, V är volymen, N är antalet molekyler och k är Boltzmann-konstanten.

-Övning 1

Du blåste upp bilens däck till tillverkarens rekommenderade tryck på 3,21 × 10 ⁵ Pa, på en plats där temperaturen var –5,00 ° C, men nu vill du åka till stranden, där den är 28 ° C. Med temperaturökningen har däckets volym ökat med 3%.

Bild 2. När temperaturen ökar från -5 ° C till 28 ° C expanderar luften i däcken och om det inte finns några förluster. trycket ökar. Källa: Pixabay.

Hitta det slutliga trycket i däcket och ange om det har överskridit toleransen från tillverkaren, vilket inte får överskrida 10% av det rekommenderade trycket.

Lösning

Den ideala gasmodellen är tillgänglig, därför antas luften i däcken följa den givna ekvationen. Det antas också att det inte finns några luftläckor i däcken, så antalet mol är konstant:

Villkoret att den slutliga volymen har ökat med 3% ingår:

De kända data ersätts och det slutliga trycket rensas. Viktigt: temperaturen måste uttryckas i Kelvin: T (K) = T (° C) + 273,15

Tillverkaren har angett att toleransen är 10%, därför är maxvärdet för trycket:

Du kan säkert resa till stranden, åtminstone när det gäller däcken, eftersom du inte har överskridit den fastställda tryckgränsen.

Övning 2

En idealisk gas har en volym på 30 liter vid en temperatur av 27 ° C och dess tryck på 2 atm. Håll trycket konstant och hitta dess volym när temperaturen passerar -13 ºC.

Lösning

Det är en process med konstant tryck (isobarisk process). I ett sådant fall förenklar den ideala gasekvationen för tillstånd till:

Detta resultat kallas Karls lag. De tillgängliga uppgifterna är:

Lösa och ersätta:

referenser

1. Borgnakke. 2009. Fundamentals of Thermodynamics. 7: ^e upplagan. Wiley och söner. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamik. 7 ^ma upplagan. McGraw Hill. 2-6.
3. Grundläggande begrepp för termodynamiska system. Återställd från :texcientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Introduktion till fysikkemi: termodynamik. Pearson. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Grundläggande och tillämpad termodynamik. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Navojoa University. Grundläggande fysikkemi. Återställd från: fqb-unav.forosactivos.net