Variabili termodinamiche che sono e risolti esercizi

IL Variabili termodinamiche o Le variabili dello stato sono quelle magnitudini macroscopiche che caratterizzano un sistema termodinamico, il più familiare è la pressione, il volume, la temperatura e la massa. Sono molto utili nella descrizione dei sistemi con più input ed uscite. Esistono numerose variabili di stato altrettanto importanti, a parte le suddette. La selezione fatta dipende dal sistema e dalla sua complessità.

Un piano pieno di passeggeri o un'auto può essere considerato come sistemi e le sue variabili includono oltre a massa e temperatura, la quantità di carburante, la posizione geografica, la velocità, l'accelerazione e ovviamente molti altri.

Figura 1. Un aereo può essere studiato come sistema termodinamico. Fonte: Pixabay.

Se così tante variabili possono essere definite, quando una variabile è considerata come uno stato? Sono considerati tale in cui il processo mediante il quale la variabile acquisisce il suo valore non ha importanza.

D'altra parte, quando la natura della trasformazione influenza il valore finale della variabile, non è più considerata una variabile di stato. Esempi importanti di questi sono il lavoro e il calore.

La conoscenza delle variabili di stato consente di descrivere fisicamente il sistema in un determinato momento_O. Grazie all'esperienza, vengono creati modelli matematici che descrivono la loro evoluzione nel tempo e prevedono lo stato in un tempo_O.

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Variabili intensi, estese e specifiche

Nel caso di un gas, che è un sistema spesso studiato in termodinamica, il massa È una delle variabili statali principali e fondamentali di ogni sistema. È correlato alla quantità di materia che contiene. Nel sistema internazionale è misurato in kg.

La massa è molto importante in un sistema e le proprietà termodinamiche sono classificate in quanto dipendono o no:

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-Intensivo: sono indipendenti dalla massa e dalle dimensioni, ad esempio temperatura, pressione, viscosità e in generale quelli che distinguono un sistema da un altro.

-Esteso: quelli che variano con le dimensioni del sistema e la sua massa, come peso, lunghezza e volume.

-Specifico: quelli ottenuti esprimendo proprietà estese per unità di massa. Tra questi ci sono il peso specifico e il volume specifico.

Per distinguere tra i tipi di variabili, immagina di dividere il sistema in due parti uguali: se la grandezza rimane la stessa in ognuna, è una variabile intensiva. In caso contrario, il suo valore diminuisce a metà.

-Pressione, volume e temperatura

Volume

È lo spazio occupato dal sistema. L'unità di volume nel sistema internazionale è il contatore cubico: M³. Altre unità ampiamente usate includono pollici cubi, piedi cubi e litro.

Pressione

È una grandezza scalare data dal quoziente tra la componente perpendicolare della forza applicata a un corpo e l'area di questo. L'unità di pressione nel sistema internazionale è il Newton /m² O Pascal (PA).

Oltre al Pascal, la pressione ha numerose unità che vengono utilizzate in base all'ambito. Tra questi ci sono i psi, l'atmosfera (ATM), le barre e i millimetri di Mercurio (MMHG).

Temperatura

Nella sua interpretazione microscopica la temperatura è la misura dell'energia cinetica delle molecole che costituiscono il gas in studio. E a livello macroscopico indica la direzione del flusso di calore contattando due sistemi.

L'unità di temperatura nel sistema internazionale è la Kelvin (K) e ci sono anche le scale Celsius (ºC) e Fahrenheit (ºF) (ºF).

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Esercizi risolti

Questa sezione utilizzerà equazioni per ottenere i valori delle variabili quando il sistema si trova in una situazione particolare. Riguarda Equazioni statali.

Un'equazione statale è un modello matematico che utilizza le variabili statali e il comportamento del sistema. Un oggetto di studio è proposto come un gas ideale, che consiste in un insieme di molecole in grado di muoversi liberamente ma senza interagire tra di loro.

L'equazione di stato proposta per i gas ideali è:

P.V = n.K.T

Dove P È la pressione, V È il volume, N È il numero di molecole e K È costante di Boltzmann.

-Esercizio 1

Hai gonfiato le gomme dell'auto alla pressione raccomandata dal produttore di 3.21 × 10⁵ Pa, in un luogo in cui la temperatura era -5.00 ° C, ma ora vuole andare in spiaggia, dove ci sono 28 ºC. Con l'aumento della temperatura, il volume di un pneumatico è aumentato del 3%.

figura 2. Aumentando la temperatura da -5 ° C a 28 ºC, l'aria delle gomme si espande e se non ci sono perdite. La pressione aumenta. Fonte: Pixabay.

Trova la pressione finale nel pneumatico e indica se ha superato la tolleranza data dal produttore, che non deve superare il 10% della pressione raccomandata.

Soluzione

Il modello di gas ideale è disponibile, quindi si presume che l'aria delle gomme segua l'equazione data. Significherà anche che non ci sono perdite d'aria nelle gomme, quindi il numero di moli è costante:

Numero iniziale di molecole (a -5 ºC) = numero di molecole finali (a 28 ºC)

(P.V/ k .T) _iniziale = (P.V/ k.T)_finale

Include la condizione che il volume finale è aumentato del 3%:

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(P.V/t) _iniziale= 1.03v_iniziale (P /T)_finale

I dati noti vengono sostituiti e la pressione finale viene cancellata. Importante: la temperatura deve essere espressa in Kelvin: T(K) = t (° C) + 273.quindici

(P/T) _finale = (P/t) _iniziale /1.03 = (3.21 × 10⁵ PA / (-5 + 273.15 k)) /1.03 = 1.16 x 10³ Pa/k

P _finale = (28 + 273.15 K) _X1.16 _X 10³ PA/K = 3.5 x 10⁵ papà.

Il produttore ha indicato che la tolleranza è del 10 %, pertanto il valore massimo della pressione è:

P _massimo = 3.21 × 10⁵ Pa + 0.1 x 3.21 × 10⁵ PA = 3.531 × 10⁵ papà

Puoi viaggiare in silenzio sulla spiaggia, almeno per quanto riguarda le gomme, poiché non ha superato il limite di pressione stabilito.

Esercizio 2

Un gas ideale ha un volume di 30 litri a una temperatura di 27 ° C e la sua pressione a 2 atm. Mantenere costante la pressione, trova il suo volume quando la temperatura passa è -13 ºC.

Soluzione

È un processo di pressione costante (processo isobarico). In questo caso, l'equazione dello stato del gas ideale è semplificata a:

P _iniziale = P _finale

(N.K.TV)_iniziale= (N.K.TV)_finale

(TV) _iniziale= (T/v) _finale

Risultato noto come la legge di Charles. I dati disponibili sono:

V _iniziale = 30 L; T_iniziale = 27 ºC = (27 + 273.15 k) = 300.15 K; T _finale = (-13+273.15 k) = 260.15 k

Cancellamento e sostituzione:

V _finale = V _iniziale . (T _finale /T _iniziale) = 30 l . (260.15 K)/(300.15 k) = 26 l.

Riferimenti

1. Borgnakke. 2009. Fondamenti della termodinamica. 7^th Edizione. Wiley e figli. 13-47.
2. Cengel, e. 2012. Termodinamica. 7^Ma Edizione. McGraw Hill. 2-6.
3. Concetti fondamentali di sistemi termodinamici. Recuperato da: TextScantificas.com.
4. Engel, t. 2007. Introduzione alla fisicoChimica: Termodinamica. Pearson. 1-9.
5. Nag, p.K. 2002. Termodinamica di base e applicata. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Università di Navojoa. Fisica di base. Recuperato da: fqb-unv.Forosactive.netto