ТЕРМОДИНАМІЧНІ ЗМІННІ: ЩО ВОНИ Є І РОЗВ’ЯЗУЮТЬ ВПРАВИ - ФІЗИЧНІ - 2025

У термодинамічних змінних або змінних станах є тими макроскопическими величинами , що характеризують термодинамічної систему, найбільш знайомого тиску, обсяг, температура і масу. Вони дуже корисні при описі систем з декількома входами та виходами. Окрім уже згаданих, існує безліч не менш важливих змінних стану. Вибір зроблений залежить від системи та її складності.

Літак, повний пасажирів або автомобіль, можна розглядати як системи, а їх змінні, крім маси та температури, включають кількість палива, географічне положення, швидкість, прискорення і, звичайно, багато іншого.

Малюнок 1. Літак можна вивчати як термодинамічну систему. Джерело: Pixabay.

Якщо так багато змінних можна визначити, коли змінна вважається станом? Ті, в яких процес, за допомогою якого змінна набуває свого значення, не має значення, вважаються такими.

З іншого боку, коли природа перетворення впливає на остаточне значення змінної, вона вже не розглядається як змінна стану. Важливими прикладами цього є робота та тепло.

Знання змінних стану дозволяє фізично описати систему в заданий час t _o . Завдяки досвіду створюються математичні моделі, які описують їх еволюцію з часом та прогнозують стан у момент t> t _o .

Інтенсивні, обширні та конкретні змінні

Що стосується газу, який є системою, яка часто вивчається в термодинаміці, маса є однією з головних змін та основних змінних будь-якої системи. Це пов’язано з кількістю речовини, яку він містить. У Міжнародній системі він вимірюється в кг.

Маса дуже важлива в системі, і термодинамічні властивості класифікуються залежно від того, залежать вони від неї:

-Інтенсивні: вони не залежать від маси та розміру, наприклад, температури, тиску, в'язкості та взагалі тих, що відрізняють одну систему від іншої.

-Дорогі: ті, які залежать від розміру системи та її маси, такі як вага, довжина та об'єм.

-Специфічні: ті, що отримуються шляхом вираження обширних властивостей на одиницю маси. Серед них питома вага і питомий об'єм.

Щоб розрізняти типи змінних, уявіть собі поділ системи на дві рівні частини: якщо величина залишається однаковою в кожній, це інтенсивна змінна. Якщо його немає, його значення скорочується навпіл.

-Тиск, об'єм і температура

Обсяг

Це простір, який займає система. Одиниця об'єму в Міжнародній системі становить кубічний метр: м ³ . Інші широко використовувані одиниці включають кубічні дюйми, кубічні фути та літр.

Тиск

Це скалярна величина, задана коефіцієнтом між перпендикулярною складовою сили, прикладеної до тіла, та його площею. Одиницею тиску в Міжнародній системі є ньютон / м ² або Паскаль (Па).

Крім Паскаля, тиск має численні одиниці, які використовуються відповідно до району. До них відносяться пси, атмосфера (атм), бари та міліметри ртуті (мм рт. Ст.).

Температура

У своїй інтерпретації на мікроскопічному рівні температура - це міра кінетичної енергії молекул, що складають досліджуваний газ. А на макроскопічному рівні вказує напрямок теплового потоку при контакті двох систем.

Одиницею температури в Міжнародній системі є Кельвін (К), а також є шкали Цельсія (ºC) і Фаренгейта (ºF).

Розв’язані вправи

У цьому розділі рівняння будуть використані для отримання значень змінних, коли система знаходиться в певній ситуації. Йдеться про рівняння стану.

Рівняння стану - це математична модель, яка використовує змінні стану та моделює поведінку системи. В якості об’єкта дослідження пропонується ідеальний газ, який складається з набору молекул, здатних вільно рухатися, але не взаємодіючи між собою.

Пропоноване рівняння стану ідеальних газів:

Де P - тиск, V - об'єм, N - кількість молекул, а k - константа Больцмана.

-Вправа 1

Ви надули шини свого автомобіля до рекомендованого виробником тиску 3,21 × 10 ⁵ Па в місці, де температура була –5,00 ° C, але тепер ви хочете піти на пляж, де він становить 28 ° C. Зі збільшенням температури обсяг шини збільшився на 3%.

Малюнок 2. При підвищенні температури від -5ºC до 28ºC повітря в шинах розширюється, і якщо втрат немає. тиск збільшується. Джерело: Pixabay.

Знайдіть кінцевий тиск у шині та вкажіть, чи не перевищував він допустимий відхилення від виробника, який не повинен перевищувати 10% рекомендованого тиску.

Рішення

Ідеальна модель газу доступна, тому повітря в шинах буде прийнято відповідати заданому рівнянню. Також передбачається, що в шинах немає витоків повітря, тому кількість молей є постійним:

Умова, що кінцевий обсяг збільшився на 3%, включає:

Відомі дані замінюються, а кінцевий тиск очищується. Важливо: температура повинна бути виражена в Кельвіні: T (K) = T (° C) + 273,15

Виробник вказав, що допуск становить 10%, тому максимальне значення тиску становить:

Ви можете сміливо подорожувати на пляж, принаймні, що стосується шин, оскільки ви не перевищили встановлену межу тиску.

Вправа 2

Ідеальний газ має об’єм 30 літрів при температурі 27 ° С і його тиску 2 атм. Тримаючи постійний тиск, знайдіть його об'єм, коли температура перейде до -13 ºC.

Рішення

Це процес постійного тиску (ізобарний процес). У такому випадку рівняння стану ідеального газу спрощується до:

Цей результат відомий як закон Карла. Доступні дані:

Розв’язання та заміна:

Список літератури

1. Борняке. 2009. Основи термодинаміки. 7- ^е видання. Вілі та сини. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Термодинаміка. Видання 7 ^ма . McGraw Hill. 2-6.
3. Фундаментальні поняття термодинамічних систем. Відновлюється з: текстові наукові.com.
4. Енгель, Т. 2007. Вступ до фізикохімії: термодинаміка. Пірсон. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Основна та прикладна термодинаміка. Тата МакГрау Хілл. 1-4.
6. Університет Наводжоа. Основна фізикохімія. Відновлено з: fqb-unav.forosactivos.net