VARIABILELE TERMODINAMICE: CE SUNT ȘI EXERCIȚII REZOLVATE - FIZIC - 2025

De variabilele termodinamice sau variabilele de stare sunt acele cantități macroscopice ce caracterizează un sistem termodinamic, cel mai familiar presiune, volum, temperatură și masă. Sunt foarte utile în descrierea sistemelor cu intrări și ieșiri multiple. Există numeroase variabile de stare la fel de importante, în afară de cele menționate deja. Selecția făcută depinde de sistem și de complexitatea acestuia.

Un avion plin de pasageri sau o mașină poate fi considerat sisteme, iar variabilele acestora includ, pe lângă masă și temperatură, cantitatea de combustibil, poziția geografică, viteza, accelerația și, desigur, multe altele.

Figura 1. Un avion poate fi studiat ca un sistem termodinamic. Sursa: Pixabay.

Dacă se pot defini atât de multe variabile, când este considerată o variabilă? Cele în care procesul prin care variabila își dobândește valoarea nu contează sunt considerate ca atare.

Pe de altă parte, când natura transformării influențează valoarea finală a variabilei, ea nu mai este considerată ca o variabilă de stat. Exemple importante sunt munca și căldura.

Cunoașterea variabilelor de stare permite să descrie fizic sistemul într - un anumit timp t _o . Datorită experienței, sunt create modele matematice care descriu evoluția lor în timp și prezic starea la momentul t> t _o .

Variabile intense, extinse și specifice

În cazul unui gaz, care este un sistem frecvent studiat în termodinamică, masa este una dintre principalele variabile de stare și fundamentale ale oricărui sistem. Este legat de cantitatea de materie pe care o conține. În Sistemul Internațional se măsoară în kg.

Masa este foarte importantă într-un sistem, iar proprietățile termodinamice sunt clasificate în funcție de faptul că depind sau nu de acesta:

-Intensiv: sunt independente de masă și dimensiune, de exemplu temperatura, presiunea, vâscozitatea și, în general, cele care disting un sistem de altul.

-Extensiv: cele care variază în funcție de dimensiunea sistemului și de masa sa, cum ar fi greutatea, lungimea și volumul.

-Specifice: cele obținute prin exprimarea proprietăților extinse pe unitatea de masă. Printre ele se numără gravitația specifică și volumul specific.

Pentru a distinge tipurile de variabile, imaginați-vă că împărțiți sistemul în două părți egale: dacă mărimea rămâne aceeași în fiecare, este o variabilă intensivă. Dacă nu, valoarea acestuia se reduce la jumătate.

-Presiune, volum și temperatură

Volum

Este spațiul ocupat de sistem. Unitatea de volum din Sistemul Internațional este metrul cub: m ³ . Alte unități utilizate pe scară largă includ inci cubi, metri cubi și litru.

Presiune

Este o mărime scalară dată de coeficientul dintre componenta perpendiculară a forței aplicate unui corp și zona sa. Unitatea de presiune în Sistemul Internațional este newton / m ² sau Pascal (Pa).

În plus față de Pascal, presiunea are numeroase unități care sunt utilizate în funcție de zonă. Acestea includ psi, atmosferă (atm), bare și milimetri de mercur (mmHg).

Temperatura

În interpretarea sa la nivel microscopic, temperatura este măsura energiei cinetice a moleculelor care formează gazul studiat. Și la nivel macroscopic indică direcția fluxului de căldură atunci când puneți două sisteme în contact.

Unitatea de temperatură din sistemul internațional este Kelvin (K) și există, de asemenea, cântarele Celsius (ºC) și Fahrenheit (ºF).

Exerciții rezolvate

În această secțiune, ecuațiile vor fi utilizate pentru a obține valorile variabilelor atunci când sistemul se află într-o anumită situație. Este vorba despre ecuațiile de stat.

O ecuație de stare este un model matematic care face uz de variabilele de stat și modelează comportamentul sistemului. Un gaz ideal este propus ca obiect de studiu, care constă dintr-un set de molecule capabile să se miște liber, dar fără să interacționeze între ele.

Ecuația de stare propusă pentru gazele ideale este:

Unde P este presiunea, V este volumul, N este numărul de molecule și k este constanta Boltzmann.

-Exercitiul 1

Ați umflat anvelopele mașinii la presiunea recomandată de producător de 3,21 × 10 ⁵ Pa, într-un loc unde temperatura a fost de -5,00 ° C, dar acum doriți să mergeți pe plajă, unde este 28 ° C. Odată cu creșterea temperaturii, volumul unei anvelope a crescut cu 3%.

Figura 2. Când temperatura crește de la -5ºC la 28ºC, aerul din anvelope se extinde și dacă nu există pierderi. presiunea crește. Sursa: Pixabay.

Găsiți presiunea finală în anvelopă și indicați dacă aceasta a depășit toleranța dată de producător, care nu trebuie să depășească 10% din presiunea recomandată.

Soluţie

Modelul ideal de gaz este disponibil, prin urmare, se presupune că aerul din anvelope va urma ecuația dată. De asemenea, se va presupune că nu există scurgeri de aer în anvelope, deci numărul de alunițe este constant:

Condiția ca volumul final să crească cu 3% este inclusă:

Datele cunoscute sunt înlocuite și presiunea finală este curățată. Important: temperatura trebuie exprimată în Kelvin: T (K) = T (° C) + 273,15

Producătorul a indicat că toleranța este de 10%, prin urmare valoarea maximă a presiunii este:

Puteți călători în siguranță pe plajă, cel puțin în ceea ce privește anvelopele, deoarece nu ați depășit limita de presiune stabilită.

Exercițiul 2

Un gaz ideal are un volum de 30 de litri la o temperatură de 27 ° C și presiunea sa de 2 atm. Menținând constantă presiunea, găsiți volumul când temperatura trece -13 ºC.

Soluţie

Este un proces de presiune constantă (procedeu izobaric). Într-un astfel de caz, ecuația ideală de stare a gazului se simplifică pentru:

Acest rezultat este cunoscut sub numele de legea lui Charles. Datele disponibile sunt:

Rezolvarea și înlocuirea:

Referințe

1. Borgnakke. 2009. Fundamente ale termodinamicii. 7 - ^lea Edition. Wiley and Sons. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamica. Ediția 7 ^ma . McGraw Hill. 2-6.
3. Conceptele fundamentale ale sistemelor termodinamice. Recuperat de la: textscientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Introducere în fizicochimie: termodinamică. Pearson. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Termodinamică de bază și aplicată. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Universitatea Navojoa Fizicochimie de bază. Recuperat de la: fqb-unav.forosactivos.net