TERMODYNAMISKE VARIABLER: HVA DE ER OG LØSTE ØVELSER - FYSISK - 2026

De termodynamiske variablene eller tilstandsvariablene er de makroskopiske mengder som kjennetegner et termodynamisk system, det mest kjente trykket, volumet, temperaturen og massen. De er veldig nyttige i å beskrive systemer med flere innganger og utganger. Det er mange like viktige tilstandsvariabler, bortsett fra de som allerede er nevnt. Valget som er gjort avhenger av systemet og dets kompleksitet.

Et fly fullt av passasjerer eller en bil kan betraktes som systemer, og variablene deres inkluderer, i tillegg til masse og temperatur, mengden drivstoff, geografisk beliggenhet, hastighet, akselerasjon og selvfølgelig mange flere.

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

Hvis så mange variabler kan defineres, når blir en variabel vurdert som tilstand? De som prosessen der variabelen skaffer seg verdi ikke spiller noen rolle, blir sett på som sådan.

På den annen side, når arten av transformasjonen påvirker den endelige verdien av variabelen, blir den ikke lenger betraktet som en tilstandsvariabel. Viktige eksempler på disse er arbeid og varme.

Kunnskapen om tilstandsvariablene som gjør det mulig å fysisk beskrive systemet i en gitt tid t _o . Takket være erfaringer lages matematiske modeller som beskriver deres evolusjon over tid og forutsier tilstanden på tidspunktet t> t _o .

Intensive, omfattende og spesifikke variabler

Når det gjelder en gass, som er et system som ofte studeres i termodynamikk, er masse en av hovedtilstandene og de grunnleggende variablene i ethvert system. Det henger sammen med mengden materie den inneholder. I det internasjonale systemet er det målt i kg.

Masse er veldig viktig i et system, og termodynamiske egenskaper klassifiseres etter om de er avhengige av den eller ikke:

-Intensivt: de er uavhengige av masse og størrelse, for eksempel temperatur, trykk, viskositet og generelt de som skiller et system fra et annet.

-Et omfattende: de som varierer med størrelsen på systemet og dets masse, for eksempel vekt, lengde og volum.

-Spesifikt: de som oppnås ved å uttrykke omfattende egenskaper per masseenhet. Blant dem er spesifikk tyngdekraft og spesifikk volum.

For å skille mellom typer variabler, kan du tenke deg å dele systemet i to like store deler: Hvis størrelsen forblir den samme i hver, er det en intensiv variabel. Hvis det ikke er det, kuttes verdien i to.

-Trykk, volum og temperatur

Volum

Det er den plassen som er okkupert av systemet. Volumeenheten i det internasjonale systemet er kubikkmeteren: m ³ . Andre mye brukte enheter inkluderer kubikkmeter, kubikkfot og liter.

Press

Det er en skalarstørrelse gitt av kvotienten mellom den vinkelrette komponenten av kraften som påføres et legeme og dens område. Enheten for trykk i det internasjonale systemet er newton / m ² eller Pascal (Pa).

I tillegg til Pascal har trykket mange enheter som brukes i henhold til området. Disse inkluderer psi, atmosfære (atm), barer og millimeter kvikksølv (mmHg).

Temperatur

I sin tolkning på mikroskopisk nivå er temperaturen mål for kinetisk energi til molekylene som utgjør gassen som studeres. Og på det makroskopiske nivået indikerer det retningen på varmestrømmen når du setter to systemer i kontakt.

Temperaturenheten i det internasjonale systemet er Kelvin (K), og det er også Celsius (ºC) og Fahrenheit (ºF) skalaer.

Løste øvelser

I dette avsnittet vil ligninger brukes for å få verdiene til variablene når systemet er i en spesiell situasjon. Det handler om statens ligninger.

En statlig ligning er en matematisk modell som benytter seg av tilstandsvariablene og modellerer atferden til systemet. En ideell gass er foreslått som et gjenstand for studie, som består av et sett med molekyler som er i stand til å bevege seg fritt, men uten å samhandle med hverandre.

Den foreslåtte statlige ligningen for ideelle gasser er:

Hvor P er trykket, er V volumet, N er antall molekyler, og k er Boltzmann-konstanten.

-Øvelse 1

Du blåste opp bildekkene til produsenten til anbefalt trykk på 3,21 × 10 ⁵ Pa, på et sted der temperaturen var –5,00 ° C, men nå vil du dra til stranden, der den er 28 ° C. Med økningen i temperatur har volumet til et dekk økt med 3%.

Figur 2. Når temperaturen øker fra -5 ºC til 28 ºC, ekspanderer luften i dekkene og hvis det ikke er tap. trykket øker. Kilde: Pixabay.

Finn det endelige trykket i dekket og angi om det har overskredet toleransen gitt av produsenten, som ikke må overstige 10% av det anbefalte trykket.

Løsning

Den ideelle gassmodellen er tilgjengelig, derfor antas at luften i dekkene følger den gitte ligningen. Det vil også anta at det ikke er luftlekkasjer i dekkene, så antall mol er konstant:

Betingelsen for at sluttvolumet har økt med 3% er inkludert:

De kjente dataene er erstattet og det endelige trykket blir fjernet. Viktig: temperaturen må uttrykkes i Kelvin: T (K) = T (° C) + 273,15

Produsenten har indikert at toleransen er 10%, derfor er maksimal verdi på trykket:

Du kan trygt reise til stranden, i det minste når det gjelder dekkene, siden du ikke har overskredet den fastsatte trykkgrensen.

Oppgave 2

En ideell gass har et volum på 30 liter ved en temperatur på 27 ° C og trykket på 2 atm. Hold trykket konstant, finn volumet når temperaturen passerer -13 ºC.

Løsning

Det er en konstant trykkprosess (isobarisk prosess). I et slikt tilfelle forenkler den ideelle gasslikningen av tilstanden til:

Dette resultatet er kjent som Charles's lov. Dataene som er tilgjengelige er:

Å løse og erstatte:

referanser

1. Borgnakke. 2009. Fundamentals of Thermodynamics. 7 ^th Edition. Wiley og sønner. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamikk. 7 ^ma utgave. McGraw Hill. 2-6.
3. Grunnleggende konsepter av termodynamiske systemer. Gjenopprettet fra: textscientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Introduksjon til fysisk kjemi: termodynamikk. Pearson. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Basic and Applied Thermodynamics. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Navojoa University. Grunnleggende fysisk kjemi. Gjenopprettet fra: fqb-unav.forosactivos.net