TERMODYNAMICKÉ PROMĚNNÉ: CO TO JSOU A ŘEŠENÁ CVIČENÍ - FYZICKÝ - 2025

Tyto termodynamické proměnné nebo stavové veličiny jsou ty makroskopické veličiny charakterizující termodynamického systému, nejznámějším tlaku, objemu, teploty a hmoty. Jsou velmi užitečné při popisu systémů s více vstupy a výstupy. Existuje řada stejně důležitých stavových proměnných, kromě těch, které již byly zmíněny. Výběr závisí na systému a jeho složitosti.

Letadlo plné cestujících nebo auto lze považovat za systémy a jejich proměnné zahrnují kromě hmotnosti a teploty také množství paliva, geografickou polohu, rychlost, zrychlení a samozřejmě mnohem více.

Obrázek 1. Letoun lze studovat jako termodynamický systém. Zdroj: Pixabay.

Pokud lze definovat tolik proměnných, kdy je proměnná považována za stav? Ty, ve kterých nezáleží na procesu, kterým proměnná získává svou hodnotu, jsou za takové považovány.

Na druhou stranu, pokud povaha transformace ovlivní konečnou hodnotu proměnné, již se nepovažuje za stavovou proměnnou. Důležitými příklady jsou práce a teplo.

Znalost stavových proměnných umožňuje fyzicky popsat systém v daném čase t _o. Díky zkušenosti jsou vytvářeny matematické modely, které popisují jejich vývoj v čase a předpovídají stav v čase t> t _o.

Intenzivní, rozsáhlé a specifické proměnné

V případě plynu, což je systém často studovaný v termodynamice, je hmota jednou z hlavních stavů a ​​základních proměnných jakéhokoli systému. Souvisí to s množstvím hmoty, které obsahuje. V mezinárodním systému se měří v kg.

Hmota je v systému velmi důležitá a termodynamické vlastnosti jsou klasifikovány podle toho, zda na nich závisí nebo ne:

- Intenzivní: jsou nezávislé na hmotnosti a velikosti, například na teplotě, tlaku, viskozitě a obecně na těch, které odlišují jeden systém od druhého.

- Rozsáhlé: ty, které se liší v závislosti na velikosti systému a jeho hmotnosti, jako je hmotnost, délka a objem.

- Specifické: vlastnosti získané vyjádřením rozsáhlých vlastností na jednotku hmotnosti. Mezi ně patří měrná hmotnost a měrný objem.

Chcete-li rozlišit mezi typy proměnných, představte si rozdělení systému na dvě stejné části: pokud velikost zůstává stejná, jedná se o intenzivní proměnnou. Pokud tomu tak není, je jeho hodnota snížena na polovinu.

- Tlak, objem a teplota

Hlasitost

Je to prostor obsazený systémem. Jednotkou objemu v mezinárodním systému je krychlový metr: m ³. Jiné široce používané jednotky zahrnují krychlové palce, krychlové nohy a litr.

Tlak

Je to skalární velikost daná kvocientem mezi kolmou složkou síly aplikované na tělo a jeho oblastí. Jednotkou tlaku v mezinárodním systému je newton / m ² nebo Pascal (Pa).

Kromě Pascalu má tlak řadu jednotek, které se používají podle oblasti. Patří sem psi, atmosféra (atm), sloupce a milimetry rtuti (mmHg).

Teplota

Ve své interpretaci na mikroskopické úrovni je teplota míra kinetické energie molekul, které tvoří studovaný plyn. A na makroskopické úrovni ukazuje směr toku tepla při uvedení dvou systémů do kontaktu.

Jednotkou teploty v mezinárodním systému je Kelvin (K) a jsou zde také stupnice Celsia (° C) a Fahrenheita (° F).

Řešená cvičení

V této části budou rovnice použity k získání hodnot proměnných, když je systém v určité situaci. Jde o státní rovnice.

Stavová rovnice je matematický model, který využívá stavových proměnných a modeluje chování systému. Ideální plyn je navržen jako předmět studia, který se skládá ze souboru molekul, které se mohou volně pohybovat, ale bez vzájemné interakce.

Navrhovaná stavová rovnice pro ideální plyny je:

Kde P je tlak, V je objem, N je počet molekul a k je Boltzmannova konstanta.

-Cvičení 1

Nafoukli jste pneumatiky svého auta na tlak doporučený výrobcem 3,21 × 10 ⁵ Pa, na místě, kde byla teplota –5,00 ° C, ale nyní chcete jít na pláž, kde je 28 ° C. S nárůstem teploty se objem pneumatiky zvýšil o 3%.

Obrázek 2. Když se teplota zvýší z -5 ° C na 28 ° C, vzduch v pneumatikách expanduje a pokud nedochází ke ztrátám. tlak se zvyšuje. Zdroj: Pixabay.

Najděte konečný tlak v pneumatice a uveďte, zda překročila toleranci danou výrobcem, která nesmí překročit 10% doporučeného tlaku.

Řešení

K dispozici je ideální model plynu, proto se předpokládá, že vzduch v pneumatikách bude dodržovat danou rovnici. Bude také předpokládat, že v pneumatikách nedochází k žádnému úniku vzduchu, takže počet molů je konstantní:

Zahrnuta je podmínka, že konečný objem vzrostl o 3%:

Známá data jsou nahrazena a konečný tlak je vymazán. Důležité: teplota musí být vyjádřena v Kelvinech: T (K) = T (° C) + 273,15

Výrobce uvedl, že tolerance je 10%, proto maximální hodnota tlaku je:

Můžete bezpečně cestovat na pláž, alespoň pokud jde o pneumatiky, protože jste nepřekročili stanovený limit tlaku.

Cvičení 2

Ideální plyn má objem 30 litrů při teplotě 27 ° C a jeho tlak 2 atm. Při udržování konstantního tlaku zjistěte jeho objem, jakmile teplota dosáhne -13 ° C.

Řešení

Je to proces s konstantním tlakem (isobarický proces). V takovém případě se ideální plynová rovnice státu zjednoduší na:

Tento výsledek je známý jako Charlesův zákon. Dostupné údaje jsou:

Řešení a nahrazování:

Reference

1. Borgnakke. 2009. Základy termodynamiky. 7 ^th Edition. Wiley a synové. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamika. Vydání 7 ^ma. McGraw Hill. 2-6.
3. Základní pojmy termodynamických systémů. Obnoveno z: textscientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Úvod do fyzikální chemie: termodynamika. Pearson. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Základní a aplikovaná termodynamika. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Univerzita Navojoa. Základní fyzikální chemie. Obnoveno z: fqb-unav.forosactivos.net