ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕННЫЕ: ЧТО ЭТО ТАКОЕ И РЕШАЕМЫЕ УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

В термодинамических переменных или переменных состояниях являются теми макроскопическими величинами , характеризующих термодинамической систему, наиболее знакомого давления, объем, температура и массу. Они очень полезны при описании систем с несколькими входами и выходами. Помимо уже упомянутых, существует множество не менее важных переменных состояния. Сделанный выбор зависит от системы и ее сложности.

Самолет с пассажирами или автомобиль можно рассматривать как систему, и их переменные включают, помимо массы и температуры, количество топлива, географическое положение, скорость, ускорение и, конечно же, многое другое.

Рис. 1. Самолет можно рассматривать как термодинамическую систему. Источник: Pixabay.

Если можно определить так много переменных, когда переменная считается состоянием? Те, в которых процесс, посредством которого переменная получает свое значение, не имеет значения, считаются таковыми.

С другой стороны, когда характер преобразования влияет на окончательное значение переменной, оно больше не рассматривается как переменная состояния. Важными примерами этого являются работа и тепло.

Знание переменных состояния позволяет физически описать систему в заданное время t _o . Благодаря опыту создаются математические модели, которые описывают их эволюцию во времени и предсказывают состояние в момент времени t> t _o .

Интенсивные, обширные и специфические переменные

В случае газа, который часто изучается в термодинамике, масса является одним из основных состояний и фундаментальных переменных любой системы. Это связано с количеством содержащегося в нем вещества. В Международной системе он измеряется в кг.

Масса очень важна в системе, и термодинамические свойства классифицируются в зависимости от того, зависят они от нее:

-Интенсивные: они не зависят от массы и размера, например температуры, давления, вязкости и в целом от тех, которые отличают одну систему от другой.

-Обширный: те, которые зависят от размера системы и ее массы, например, веса, длины и объема.

-Специальные: те, которые получены выражением обширных свойств на единицу массы. Среди них удельный вес и удельный объем.

Чтобы различать типы переменных, представьте себе разделение системы на две равные части: если величина остается одинаковой в каждой, это интенсивная переменная. В противном случае его стоимость уменьшается вдвое.

-Давление, объем и температура

объем

Это пространство, занимаемое системой. Единицей объема в Международной системе является кубический метр: м ³ . Другие широко используемые единицы измерения включают кубические дюймы, кубические футы и литры.

Давление

Это скалярная величина, полученная как частное между перпендикулярной составляющей силы, приложенной к телу, и его площадью. Единица давления в Международной системе - ньютон / м ² или Паскаль (Па).

Помимо Паскаля, у давления есть множество единиц, которые используются в зависимости от площади. К ним относятся фунты на квадратный дюйм, атмосфера (атм), бары и миллиметры ртутного столба (мм рт. Ст.).

температура

В ее интерпретации на микроскопическом уровне температура является мерой кинетической энергии молекул, составляющих исследуемый газ. А на макроскопическом уровне он указывает направление теплового потока при соприкосновении двух систем.

Единицей измерения температуры в Международной системе является градус Кельвина (K), а также шкалы Цельсия (ºC) и Фаренгейта (ºF).

Решенные упражнения

В этом разделе уравнения будут использоваться для получения значений переменных, когда система находится в конкретной ситуации. Речь идет об уравнениях состояния.

Уравнение состояния - это математическая модель, которая использует переменные состояния и моделирует поведение системы. В качестве объекта исследования предлагается идеальный газ, состоящий из набора молекул, способных свободно перемещаться, но не взаимодействуя друг с другом.

Предлагаемое уравнение состояния идеальных газов:

Где P - давление, V - объем, N - количество молекул, а k - постоянная Больцмана.

-Упражнение 1

Вы накачали шины вашего автомобиля до рекомендованного производителем давления 3,21 × 10 ⁵ Па в месте, где температура составляла –5,00 ° C, но теперь вы хотите пойти на пляж, где она составляет 28 ° C. С повышением температуры объем шины увеличился на 3%.

Рисунок 2. При повышении температуры с -5ºC до 28ºC воздух в шинах расширяется, и если нет никаких потерь. давление увеличивается. Источник: Pixabay.

Найдите конечное давление в шине и укажите, превышает ли оно допуск, указанный производителем, который не должен превышать 10% от рекомендованного давления.

Решение

Доступна модель идеального газа, поэтому предполагается, что воздух в шинах соответствует данному уравнению. Также предполагается, что в шинах нет утечек воздуха, поэтому количество молей постоянно:

Включено условие увеличения конечного объема на 3%:

Известные данные заменяются, а конечное давление очищается. Важно: температура должна быть выражена в Кельвинах: T (K) = T (° C) + 273,15.

Производитель указал, что допуск составляет 10%, поэтому максимальное значение давления составляет:

Вы можете спокойно ехать на пляж, по крайней мере, в том, что касается покрышек, так как вы не превысили установленный предел давления.

Упражнение 2.

Идеальный газ имеет объем 30 литров при температуре 27 ° C и давлении 2 атм. Удерживая постоянное давление, найдите его объем при температуре ниже -13 ºC.

Решение

Это процесс постоянного давления (изобарный процесс). В таком случае уравнение состояния идеального газа упрощается до:

Этот результат известен как закон Чарльза. Доступны следующие данные:

Решение и замена:

Ссылки

1. Borgnakke. 2009. Основы термодинамики. 7- ^е издание. Wiley and Sons. 13-47.
2. Ценгель, Ю. 2012. Термодинамика. Издание 7 ^ma . Макгроу Хилл. 2-6.
3. Основные понятия термодинамических систем. Получено с: textcientificos.com.
4. Энгель, Т. 2007. Введение в физико-химию: термодинамика. Пирсон. 1-9.
5. Наг, ПК 2002. Основная и прикладная термодинамика. Тата МакГроу Хилл. 1-4.
6. Университет Навохоа. Основы физико-химии. Получено с: fqb-unav.forosactivos.net