- Intensiiviset, laajat ja spesifiset muuttujat
- -Paine, tilavuus ja lämpötila
- tilavuus
- Paine
- Lämpötila
- Ratkaistuja harjoituksia
- -Harjoitus 1
- Ratkaisu
- Harjoitus 2
- Ratkaisu
- Viitteet
Termodynaamisen muuttujia tai tilamuuttujat ovat ne makroskooppisia määriä luonteenomaiset systeemi, tutuin paine, tilavuus, lämpötila ja massa. Ne ovat erittäin hyödyllisiä kuvaamaan järjestelmiä, joissa on useita tuloja ja lähtöjä. Jo olemassa mainittuja lukuun ottamatta on lukuisia yhtä tärkeitä tilamuuttujia. Valinta riippuu järjestelmästä ja sen monimutkaisuudesta.
Lentokoneita, jotka ovat täynnä matkustajia tai autoa, voidaan pitää järjestelminä, ja niiden muuttujiin sisältyy massan ja lämpötilan lisäksi polttoaineen määrä, maantieteellinen sijainti, nopeus, kiihtyvyys ja tietysti paljon muuta.
Kuva 1. Lentokone voidaan tutkia termodynaamisena järjestelmänä. Lähde: Pixabay.
Jos niin monia muuttujia voidaan määritellä, milloin muuttujaa pidetään tilassa? Niiksi, joissa prosessilla, jolla muuttuja saavuttaa arvon, ei ole merkitystä.
Toisaalta, kun muutoksen luonne vaikuttaa muuttujan lopulliseen arvoon, sitä ei enää pidetä tilamuuttujana. Tärkeitä esimerkkejä näistä ovat työ ja lämpö.
Tietämys Tilamuuttujien mahdollistaa fyysisesti kuvaamaan järjestelmän tietyn ajan t o. Kokemuksen ansiosta luodaan matemaattisia malleja, jotka kuvaavat niiden kehitystä ajan myötä ja ennustavat tilan ajanhetkellä t> t o.
Intensiiviset, laajat ja spesifiset muuttujat
Kaasun tapauksessa, joka on termodynamiikassa usein tutkittu järjestelmä, massa on minkä tahansa järjestelmän päätila ja perusmuuttuja. Se liittyy sen sisältämään aineen määrään. Kansainvälisessä järjestelmässä se mitataan kilogrammoina.
Massa on erittäin tärkeä järjestelmässä ja termodynaamiset ominaisuudet luokitellaan sen mukaan, riippuvatko ne siitä vai eivät:
-Intensiiviset: ne ovat riippumattomia massasta ja koosta, esimerkiksi lämpötilasta, paineesta, viskositeetista ja yleensä sellaisista, jotka erottavat järjestelmän toisesta.
- Laaja: Ne, jotka vaihtelevat järjestelmän koon ja massan, kuten painon, pituuden ja tilavuuden mukaan.
-Erityiset: ne, jotka saadaan ilmaisemalla laajat ominaisuudet massayksikköä kohti. Niitä ovat ominaispaino ja ominaistilavuus.
Jos haluat erottaa muuttujatyypit, kuvittele järjestelmän jakaminen kahteen yhtä suureen osaan: jos suuruus on sama jokaisessa, se on intensiivinen muuttuja. Jos ei, sen arvo leikataan puoliksi.
-Paine, tilavuus ja lämpötila
tilavuus
Se on järjestelmän käyttämä tila. Kansainvälisen järjestelmän tilavuusyksikkö on kuutiometri: m 3. Muita laajalti käytettyjä yksiköitä ovat kuutiometriä tuumaa, kuutiometriä ja litra.
Paine
Se on skalaarinen suuruus, joka saadaan kehoon kohdistetun voiman kohtisuoran komponentin ja sen alueen välisellä suhteella. Paineyksikkö kansainvälisessä järjestelmässä on newton / m 2 tai Pascal (Pa).
Pascalin lisäksi paineessa on lukuisia yksiköitä, joita käytetään alueen mukaan. Näitä ovat psi, ilmakehä (atm), palkit ja millimetrit elohopeaa (mmHg).
Lämpötila
Tulkinnassaan mikroskooppisella tasolla lämpötila on tutkittavan kaasun muodostavien molekyylien kineettisen energian mitta. Ja makroskooppisella tasolla se ilmaisee lämpövirtauksen suunnan, kun asetetaan kaksi järjestelmää kosketukseen.
Lämpötilayksikkö kansainvälisessä järjestelmässä on Kelvin (K) ja siellä on myös Celsius (ºC) ja Fahrenheit (ºF) asteikot.
Ratkaistuja harjoituksia
Tässä osassa yhtälöitä käytetään muuttujien arvojen saamiseksi, kun järjestelmä on tietyssä tilanteessa. Kyse on valtion yhtälöistä.
Tilayhtälö on matemaattinen malli, joka hyödyntää tilamuuttujia ja mallintaa järjestelmän käyttäytymistä. Tutkimuskohteeksi ehdotetaan ideaalikaasua, joka koostuu joukosta molekyylejä, jotka kykenevät liikkumaan vapaasti, mutta ilman vuorovaikutusta toistensa kanssa.
Ehdotettu tilayhtälö ihanteellisille kaasuille on:
Missä P on paine, V on tilavuus, N on molekyylien lukumäärä ja k on Boltzmann-vakio.
-Harjoitus 1
Paisutit autosi renkaat valmistajan suosittelemaan 3,21 × 10 5 Pa: n paineeseen paikassa, jossa lämpötila oli –5,00 ° C, mutta haluat nyt mennä rannalle, missä se on 28 ° C. Lämpötilan noustessa renkaan tilavuus on kasvanut 3%.
Kuva 2. Kun lämpötila nousee -5 ºC: sta 28 ºC: seen, renkaiden ilma laajenee ja jos häviöitä ei ole. paine kasvaa. Lähde: Pixabay.
Löydä renkaan lopullinen paine ja ilmoita, ylittääkö se valmistajan ilmoittaman toleranssin, joka ei saa ylittää 10% suosituspaineesta.
Ratkaisu
Ihanteellinen kaasumalli on saatavana, joten renkaiden ilman oletetaan seuraavan annettua yhtälöä. Lisäksi oletetaan, että renkaissa ei ole ilmavuotoja, joten moolien lukumäärä on vakio:
Edellytys siitä, että lopullinen määrä on kasvanut 3%, sisältyy:
Tunnetut tiedot korvataan ja lopullinen paine tyhjennetään. Tärkeää: lämpötila on ilmaista kelvininä: T (K) = T (° C) + 273,15
Valmistaja on ilmoittanut, että toleranssi on 10%, joten paineen maksimiarvo on:
Voit matkustaa turvallisesti rannalle ainakin renkaiden osalta, koska et ole ylittänyt vahvistettua painerajaa.
Harjoitus 2
Ihanteellisen kaasun tilavuus on 30 litraa lämpötilassa 27 ° C ja sen paineessa 2 atm. Pidä paine vakiona ja löydä sen tilavuus, kun lämpötila ylittää -13 ºC.
Ratkaisu
Se on vakiopaineprosessi (isobarinen prosessi). Tällöin ihanteellinen kaasuyhtälö yksinkertaistuu:
Tämä tulos tunnetaan Charlesin lakina. Käytettävissä olevat tiedot ovat:
Ratkaisu ja korvaaminen:
Viitteet
- Borgnakke. 2009. Termodynamiikan perusteet. 7. th Edition. Wiley ja pojat. 13-47.
- Cengel, Y. 2012. Termodynamiikka. 7 ma Edition. McGraw Hill. 2-6.
- Termodynaamisten järjestelmien peruskäsitteet. Palautettu osoitteesta: textchemicalos.com.
- Engel, T. 2007. Johdanto fysikaalisessa kemiassa: Termodynamiikka. Pearson. 1-9.
- Nag, PK 2002. Perus- ja soveltuva termodynamiikka. Tata McGraw Hill. 1-4.
- Navojoan yliopisto. Perusfysikaalinen kemia. Palautettu osoitteesta: fqb-unav.forosactivos.net