Termodynamiska variabler som är och lösta övningar

De Termodynamiska variabler o Tillståndsvariabler är de makroskopiska storleken som kännetecknar ett termodynamiskt system, det mest bekanta är tryck, volym, temperatur och massa. De är mycket användbara i beskrivningen av system med flera ingångar och utgångar. Det finns många lika viktiga tillståndsvariabler, bortsett från ovannämnda. Urvalet beror på systemet och dess komplexitet.

Ett plan fullt av passagerare eller en bil kan betraktas som system och dess variabler inkluderar utöver massa och temperatur, mängden bränsle, den geografiska positionen, hastigheten, accelerationen och naturligtvis många fler fler.

Figur 1. Ett plan kan studeras som ett termodynamiskt system. Källa: Pixabay.

Om så många variabler kan definieras, när en variabel betraktas som ett tillstånd? Betraktas som sådan där processen genom vilken variabeln förvärvar dess värde inte spelar någon roll.

Å andra sidan, när omvandlingens natur påverkar det slutliga värdet på variabeln, betraktas det inte längre som en tillståndsvariabel. Viktiga exempel på dessa är arbete och värme.

Kunskapen om tillståndsvariablerna gör att systemet kan beskrivas fysiskt vid en given tidpunkt_antingen. Tack vare upplevelsen skapas matematiska modeller som beskriver deras utveckling över tid och förutsäger tillståndet i en tid t> t_antingen.

[TOC]

Intensiva, omfattande och specifika variabler

När det gäller en gas, som är ett system som ofta studerats i termodynamik, massa Det är en av de viktigaste och grundläggande tillståndsvariablerna i varje system. Är relaterad till mängden materia den innehåller. I det internationella systemet mäts det i kg.

Massan är mycket viktig i ett system och de termodynamiska egenskaperna klassificeras eftersom de är beroende eller inte:

Kan tjäna dig: voltmeter: egenskaper, drift, vad är det för, typer

-Intensiv: Är oberoende av massa och storlek, till exempel temperatur, tryck, viskositet och i allmänhet de som skiljer ett system från ett annat.

-Omfattande: De som varierar med storleken på systemet och dess massa, såsom vikt, längd och volym.

-Specifika: De som erhålls genom att uttrycka omfattande egenskaper per enhetsmassa. Bland dem är den specifika tyngdkraften och den specifika volymen.

För att skilja mellan de typer av variabler, föreställ dig att dela systemet i två lika delar: Om storleken förblir densamma i var och en är det en intensiv variabel. Om det inte är det, minskar dess värde i hälften.

-Tryck, volym och temperatur

Volym

Det är det utrymme som systemet ockuperat. Volymenheten i det internationella systemet är kubikmätaren: m³. Andra allmänt använda enheter inkluderar kubik tum, kubikfot och liter.

Tryck

Det är en skalarstorlek som ges av kvoten mellan den vinkelräta komponenten i kraften som appliceras på en kropp och området för detta. Tryckenheten i det internationella systemet är Newton /M² o Pascal (PA).

Förutom Pascal har trycket många enheter som används enligt omfattningen. Bland dem är PSI, atmosfären (ATM), staplarna och millimetrarna till kvicksilver (MMHG).

Temperatur

I sin mikroskopiska tolkning är temperaturen måttet på molekylernas kinetiska energi som utgör gasen som studeras. Och på den makroskopiska nivån indikerar riktningen för värmeflödet genom att kontakta två system.

Temperaturenheten i det internationella systemet är Kelvin (K) och det finns också Celsius (ºC) och Fahrenheit (ºF) skalor (ºF).

Kan tjäna dig: Brayton Cycle: Process, Efficiency, Applications, Ovsts

Löst övningar

Det här avsnittet kommer att använda ekvationer för att erhålla variablens värden när systemet är i en viss situation. Det handlar om Statliga ekvationer.

En tillståndsekvation är en matematisk modell som använder sig av tillståndsvariabler och modellernas systembeteende. Ett studieobjekt föreslås som en idealisk gas, som består av en uppsättning molekyler som kan röra sig fritt men utan att interagera mellan dem.

Den föreslagna statusekvationen för idealiska gaser är:

P.V = n.k.T

Var P Det är trycket, V Det är volymen, N Det är antalet molekyler och k Det är Boltzmanns konstant.

-Övning 1

Du blåste upp däcken på din bil vid det tryck som rekommenderas av tillverkaren av 3.21 × 10⁵ PA, på en plats där temperaturen var -5.00 ° C, men vill nu åka till stranden, där det finns 28 ºC. Med temperaturökningen har ett däck ökat med 3%.

figur 2. Genom att öka temperaturen från -5 ° C till 28 ºC expanderar däckens luft och om det inte finns några förluster. Trycket ökar. Källa: Pixabay.

Hitta det slutliga trycket i däcket och ange om det har överskridit toleransen som ges av tillverkaren, som inte ska överstiga 10% av det rekommenderade trycket.

Lösning

Den ideala gasmodellen är tillgänglig, därför kommer den att antas att däckens luft följer den givna ekvationen. Det kommer också att innebära att det inte finns några luftförluster i däcken, så antalet mol är konstant:

Initialt antal molekyler (vid -5 ºC) = antal slutliga molekyler (vid 28 ºC)

(P.V/ k .T) _första = (P.V/ k.T)_slutlig

Det inkluderar villkoret att den slutliga volymen har ökat med 3%:

Kan tjäna dig: parallell krets

(P.V/t) _första= 1.03V_första (P /t)_slutlig

De kända uppgifterna ersätts och det slutliga trycket rensas. VIKTIGT: Temperaturen måste uttryckas i Kelvin: T(K) = t (° C) + 273.femton

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

P _slutlig = (28 + 273.15 K) _x1.16 _x 10³ Pa/k = 3.5 x 10⁵ Pa.

Tillverkaren har angett att tolerans är 10 %, därför är det maximala värdet på trycket:

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

Du kan resa tyst till stranden, åtminstone när det gäller däcken, eftersom det inte har överskridit den etablerade tryckgränsen.

Övning 2

En idealisk gas har en volym av 30 liter vid en temperatur av 27 ° C och dess 2 atm tryck. Håll trycket konstant, hitta sin volym när temperaturen passerar är -13 ºC.

Lösning

Det är en konstant tryckprocess (isobarisk process). I detta fall förenklas den ideala gasstatusekvationen för:

P _första = P _slutlig

(N.k.Tv)_första= (N.k.Tv)_slutlig

(TV) _första= (T/V) _slutlig

Resultat känt som Charles lag. De tillgängliga uppgifterna är:

V _första = 30 L; T_första = 27 ºC = (27 + 273.15 K) = 300.15 K; T _slutlig = (-13+273.15 K) = 260.15 K

Rensning och ersättning:

V _slutlig = V _första . (T _slutlig /T _första) = 30 L . (260.15 K)/(300.15 K) = 26 L.

Referenser

1. Borgnakke. 2009. Grundläggande termodynamik. 7^th Utgåva. Wiley och söner. 13-47.
2. Cengel och. 2012. Termodynamik. 7^ma Utgåva. McGraw Hill. 2-6.
3. Grundläggande koncept för termodynamiska system. Återhämtat sig från: TextScientificas.com.
4. Engel, T. 2007. Introduktion till fysikaliski: termodynamik. Pearson. 1-9.
5. Nag, s.K. 2002. Grundläggande och tillämpad termodynamik. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Navojoa. Grundläggande fysikaliski. Återhämtad från: fqb-unav.Övergripande.netto