TERMODINAMIČNE SPREMENLJIVKE: KAJ SO IN REŠUJEJO VAJE - FIZIČNO - 2026

V termodinamske spremenljivke ali spremenljivke stanja so tisti makroskopske količine označujejo termodinamskega sistema, najbolj znani tlaka, prostornine, temperature in maso. Zelo so uporabni pri opisovanju sistemov z več vhodi in izhodi. Razen že omenjenih je veliko enako pomembnih spremenljivk stanja. Izbrana izbira je odvisna od sistema in njegove zapletenosti.

Letalo, polno potnikov ali avtomobil, lahko štejemo za sisteme, njihove spremenljivke pa poleg mase in temperature vključujejo še količino goriva, geografski položaj, hitrost, pospeške in seveda še veliko več.

Slika 1. Letalo lahko preučujemo kot termodinamični sistem. Vir: Pixabay.

Če je mogoče definirati toliko spremenljivk, kdaj se spremenljivka šteje za stanje? Tisti, pri katerih postopek, s katerim spremenljivka pridobi svojo vrednost, ni pomembno, se štejejo za take.

Po drugi strani pa, ko narava preobrazbe vpliva na končno vrednost spremenljivke, se ne obravnava več kot spremenljivka stanja. Pomembni primeri tega so delo in toplota.

Poznavanje spremenljivk stanja omogoča fizično opisati sistem v določenem času t _o . Zahvaljujoč izkušnjam so ustvarjeni matematični modeli, ki opisujejo njihovo gibanje skozi čas in napovedujejo stanje v času t> t _o .

Intenzivne, obsežne in specifične spremenljivke

V primeru plina, ki je sistem pogosto proučevan v termodinamiki, je masa ena glavnih stanj in temeljnih spremenljivk katerega koli sistema. Povezana je s količino snovi, ki jo vsebuje. V mednarodnem sistemu se meri v kg.

Masa je v sistemu zelo pomembna in termodinamične lastnosti so razvrščene glede na to, ali so od nje odvisne ali ne:

-Intenzivno: so neodvisne od mase in velikosti, na primer temperature, tlaka, viskoznosti in na splošno tistih, ki ločujejo en sistem od drugega.

-Dodatni: tisti, ki se razlikujejo glede na velikost sistema in njegovo maso, kot so teža, dolžina in prostornina.

- Specifični: tisti, dobljeni z izražanjem obsežnih lastnosti na enoto mase. Med njimi sta specifična teža in specifična prostornina.

Če želite razlikovati med vrstami spremenljivk, si predstavljajte, da sistem razdelite na dva enaka dela: če je magnituda v vsakem enaka, gre za intenzivno spremenljivko. Če ni, se njegova vrednost prepolovi.

-Pritisk, prostornina in temperatura

Zvezek

To je prostor, ki ga sistem zaseda. Enota prostornine v mednarodnem sistemu je kubični meter: m ³ . Druge široko uporabljane enote vključujejo kubične palčke, kubične noge in liter.

Pritisk

Gre za skalarno velikost, ki jo poda količnik med pravokotno sestavino sile, ki jo ima telo in njegovo območje. Tlačna enota v mednarodnem sistemu je newton / m ² ali Pascal (Pa).

Tlak ima poleg Pascala številne enote, ki se uporabljajo glede na območje. Sem sodijo psi, atmosfera (atm), palice in milimetri živega srebra (mmHg).

Temperatura

Temperatura je v interpretaciji na mikroskopski ravni merilo kinetične energije molekul, ki sestavljajo preiskovani plin. In na makroskopski ravni kaže smer toplotnega toka pri stiku dveh sistemov.

Temperaturna enota v mednarodnem sistemu je Kelvin (K), obstajata pa tudi Celzijeva (ºC) in Fahrenheitova (ºF) lestvica.

Rešene vaje

V tem razdelku bodo enačbe uporabljene za pridobivanje vrednosti spremenljivk, ko je sistem v določeni situaciji. Gre za enačbe države.

Enačba stanja je matematični model, ki uporablja spremenljivke stanja in modelira vedenje sistema. Kot predmet preučevanja je predlagan idealni plin, ki je sestavljen iz nabora molekul, ki se lahko prosto gibljejo, vendar brez medsebojne interakcije.

Predlagana enačba stanja idealnih plinov je:

Kjer je P tlak, V volumen, N število molekul in k je Boltzmannova konstanta.

-Vežba 1

Pnevmatike vašega avtomobila ste napihnili do priporočenega tlaka proizvajalca 3,21 × 10 ⁵ Pa na mestu, kjer je bila temperatura –5,00 ° C, zdaj pa se želite odpraviti na plažo, kjer je 28 ° C. Z zvišanjem temperature se je prostornina pnevmatike povečala za 3%.

Slika 2. Ko se temperatura poveča od -5ºC do 28ºC, se zrak v pnevmatikah širi in če ni izgub. tlak se poveča. Vir: Pixabay.

Poiščite končni tlak v pnevmatiki in navedite, če je presegel toleranco, ki jo je navedel proizvajalec, ki ne sme presegati 10% priporočenega tlaka.

Rešitev

Na voljo je idealen model plina, zato se domneva, da bo zrak v pnevmatikah sledil dani enačbi. Domneva tudi, da v pnevmatikah ni puščanja zraka, zato je število molov konstantno:

Vključen je pogoj, da se je končni volumen povečal za 3%:

Znane podatke nadomestimo in očistimo končni tlak. Pomembno: temperatura mora biti izražena v Kelvinih: T (K) = T (° C) + 273,15

Proizvajalec je navedel, da je toleranca 10%, zato je največja vrednost tlaka:

Lahko varno potujete na plažo, vsaj kar se pnevmatik tiče, saj niste presegli določene meje tlaka.

Vaja 2

Idealen plin ima prostornino 30 litrov pri temperaturi 27 ° C in njegov tlak 2 atm. Ko drži tlak konstantno, poišči njegovo prostornino, ko temperatura preide –13 ºC.

Rešitev

Gre za postopek s stalnim tlakom (izobarični proces). V takem primeru enačba idealnega plina poenostavi:

Ta rezultat je znan kot Charlesov zakon. Razpoložljivi podatki so:

Reševanje in nadomeščanje:

Reference

1. Borgnakke. 2009. Osnove termodinamike. 7 ^th Edition. Wiley in sinovi. 13–47.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. Izdaja 7 ^ma McGraw Hill. 2-6.
3. Temeljni pojmi termodinamičnih sistemov. Pridobljeno: textcientistos.com.
4. Engel, T. 2007. Uvod v fizikalno kemijo: termodinamika. Pearson. 1–9.
5. Nag, PK 2002. Osnovna in uporabna termodinamika. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Univerza Navojoa. Osnovna fizikalna kemija. Pridobljeno: fqb-unav.forosactivos.net