Thermodynamische Variablen, die und gelöste Übungen

Der Thermodynamische Variablen o Zustandsvariablen sind jene makroskopischen Größen, die ein thermodynamisches System charakterisieren, das am bekanntesten Druck, Volumen, Temperatur und Masse ist. Sie sind sehr nützlich bei der Beschreibung von Systemen mit mehreren Eingaben und Ausgängen. Es gibt zahlreiche gleich wichtige Zustandsvariablen, abgesehen von den oben genannten. Die getroffene Auswahl hängt vom System und seiner Komplexität ab.

Eine Ebene voller Passagiere oder ein Auto kann als Systeme betrachtet werden, und seine Variablen umfassen zusätzlich zu Masse und Temperatur, der Menge an Kraftstoff, der geografischen Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und natürlich vielem mehr.

Abbildung 1. Eine Ebene kann als thermodynamisches System untersucht werden. Quelle: Pixabay.

Wenn so viele Variablen definiert werden können, wenn eine Variable als Zustand betrachtet wird? Werden als solche betrachtet, in dem der Prozess, durch den die Variable ihren Wert erfasst, keine Rolle spielt.

Andererseits wird die Art der Transformation den Endwert der Variablen beeinflusst, sie wird nicht mehr als Zustandsvariable angesehen. Wichtige Beispiele dafür sind Arbeit und Wärme.

Die Kenntnis der Zustandsvariablen ermöglicht es, dass das System zu einem bestimmten Zeitpunkt physisch beschrieben wird_entweder. Dank der Erfahrung werden mathematische Modelle erstellt, die ihre Entwicklung im Laufe der Zeit beschreiben und den Staat in einer Zeit t> t vorhersagen_entweder.

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Intensive, umfangreiche und spezifische Variablen

Bei einem Gas, das ein System ist, das häufig in der Thermodynamik untersucht wird, die Masse Es ist eine der wichtigsten und grundlegenden Zustandsvariablen jedes Systems. Hängt mit der Menge an Materie zusammen, die sie enthält. Im internationalen System wird es in kg gemessen.

Die Masse ist in einem System sehr wichtig und die thermodynamischen Eigenschaften werden klassifiziert, da sie abhängig sind oder nicht:

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-Intensiv: sind unabhängig von Masse und Größe, beispielsweise Temperatur, Druck, Viskosität und im Allgemeinen solche, die ein System von einem anderen unterscheiden.

-Umfangreich: Diejenigen, die mit der Größe des Systems und seiner Masse variieren, wie Gewicht, Länge und Volumen.

-Spezifisch: diejenigen, die durch Ausdruck von umfangreichen Eigenschaften pro Masse der Einheit erhalten wurden. Unter ihnen sind das spezifische Gewicht und das spezifische Volumen.

Um zwischen den Arten von Variablen zu unterscheiden, stellen Sie sich vor, Sie teilen das System in zwei gleiche Teile: Wenn die Größe in jedem einzelnen gleich bleibt, ist es eine intensive Variable. Wenn dies nicht der Fall ist, nimmt sein Wert in zwei Hälften ab.

-Druck, Volumen und Temperatur

Volumen

Es ist der Raum, der vom System besetzt ist. Die Volumeneinheit im internationalen System ist das Kubikmeter: M³. Andere weit verbreitete Einheiten sind Kubikzoll, Kubikfuß und Liter.

Druck

Es ist eine skalare Größe, die durch den Quotienten zwischen der senkrechten Komponente der auf einen Körper angewendeten Kraft und dem Bereich davon gegeben ist. Die Druckeinheit im internationalen System ist der Newton /M² o Pascal (PA).

Zusätzlich zum Pascal hat der Druck zahlreiche Einheiten, die gemäß dem Umfang verwendet werden. Unter ihnen sind die PSI, die Atmosphäre (ATM), die Balken und die Millimeter von Quecksilber (MMHG).

Temperatur

In seiner mikroskopischen Interpretation ist die Temperatur das Maß für die kinetische Energie der Moleküle, die das untersuchte Gas ausmachen. Und auf der makroskopischen Ebene zeigt die Richtung des Wärmeflusses an, indem Sie zwei Systeme kontaktieren.

Die Temperatureinheit im internationalen System ist das Kelvin (K) und es gibt auch die Skalen von Celsius (ºC) und Fahrenheit (ºF) (ºF).

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Gelöste Übungen

In diesem Abschnitt werden Gleichungen verwendet, um die Werte der Variablen zu erhalten, wenn sich das System in einer bestimmten Situation befindet. Es geht um Zustandsgleichungen.

Eine Zustandsgleichung ist ein mathematisches Modell, das staatliche Variablen und Models Systemverhalten verwendet. Ein Studienobjekt wird als ideales Gas vorgeschlagen, das aus einer Reihe von Molekülen besteht, die sich frei bewegen können, ohne zwischen ihnen zu interagieren, ohne zu interagieren.

Die vorgeschlagene Statusgleichung für ideale Gase lautet:

P.V = n.k.T

Wo P Es ist der Druck, V Es ist das Volumen, N Es ist die Anzahl der Moleküle und k Es ist Boltzmanns Konstante.

-Übung 1

Sie haben die Reifen Ihres Autos beim Druck aufgeblasen, der vom Hersteller von 3 empfohlen wird.21 × 10⁵ Pa, an einem Ort, an dem die Temperatur -5 betrug.00 ° C, will aber jetzt zum Strand gehen, wo es 28 ºC gibt. Mit dem Temperaturanstieg hat das Volumen eines Reifens um 3% gestiegen.

Figur 2. Durch Erhöhen der Temperatur von -5 ° C auf 28 ° C expandiert sich die Luft der Reifen und wenn es keine Verluste gibt. Der Druck steigt. Quelle: Pixabay.

Ermitteln Sie den endgültigen Druck im Reifen und geben Sie an, ob er die vom Hersteller angegebene Toleranz überschritten hat, die 10% des empfohlenen Drucks nicht überschreiten soll.

Lösung

Das ideale Gasmodell ist verfügbar. Daher wird angenommen, dass die Luft der Reifen der angegebenen Gleichung folgt. Dies bedeutet auch, dass es keine Luftverluste in den Reifen gibt, sodass die Anzahl der Maulwürfe konstant ist:

Anfangszahl von Molekülen (bei -5 ºC) = Anzahl der endgültigen Moleküle (bei 28 ºC)

(P.V/ k .T) _Initial = (P.V/ k.T)_Finale

Es enthält die Bedingung, dass das endgültige Volumen um 3%gestiegen ist:

Kann Ihnen dienen: Parallele Schaltung

(P.V/t) _Initial= 1.03V_Initial (P /t)_Finale

Die bekannten Daten werden ersetzt und der endgültige Druck gelöscht. Wichtig: Die Temperatur muss in Kelvin ausgedrückt werden: T(K) = t (° C) + 273.fünfzehn

(P/t) _Finale = (P/t) _Initial /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 Pa.

Der Hersteller hat angegeben, dass die Toleranz 10 %beträgt, daher ist der Maximalwert des Drucks:

P _maximal = 3.21 × 10⁵ PA + 0.1 x 3.21 × 10⁵ Pa = 3.531 × 10⁵ Pa

Sie können leise zum Strand reisen, zumindest was die Reifen betrifft, da es die festgelegte Druckgrenze nicht überschritten hat.

Übung 2

Ein ideales Gas hat ein Volumen von 30 Litern bei einer Temperatur von 27 ° C und seinen Druck von 2 atm. Finden Sie das Volumen, wenn die Temperatur -13 ° C.

Lösung

Es ist ein konstanter Druckprozess (isobarischer Prozess). In diesem Fall wird die ideale Gasstatusgleichung vereinfacht zu:

P _Initial = P _Finale

(N.k.FERNSEHER)_Initial= (N.k.FERNSEHER)_Finale

(FERNSEHER) _Initial= (T/v) _Finale

Ergebnis als Charles 'Gesetz bekannt. Die verfügbaren Daten sind:

V _Initial = 30 l; T_Initial = 27 ºC = (27 + 273.15 K) = 300.15 k; T _Finale = (-13+273.15 K) = 260.15 k

Löschen und Ersetzen:

V _Finale = V _Initial . (T _Finale /T _Initial) = 30 l . (260.15 k)/(300.15 k) = 26 l.

Verweise

1. Borgnakke. 2009. Grundlagen der Thermodynamik. 7^th Auflage. Wiley und Söhne. 13-47.
2. Cengel, und. 2012. Thermodynamik. 7^ma Auflage. McGraw Hill. 2-6.
3. Grundlegende Konzepte von thermodynamischen Systemen. Wiederhergestellt von: textScientificas.com.
4. Engel, t. 2007. Einführung in die Physikochemie: Thermodynamik. Pearson. 1-9.
5. Nag, p.K. 2002. Grundlegende und angewandte Thermodynamik. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Universität von Navojoa. Grundlegende Physikochemie. Wiederhergestellt von: fqb-unav.Forosaktiv.Netz