THERMODYNAMISCHE VARIABLEN: WAS SIE SIND UND GELÖSTE ÜBUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Die thermodynamischen Variablen oder Zustandsvariablen sind jene makroskopischen Größen, die ein thermodynamisches System charakterisieren, den bekanntesten Druck, das bekannteste Volumen, die bekannteste Temperatur und die bekannteste Masse. Sie sind sehr nützlich bei der Beschreibung von Systemen mit mehreren Ein- und Ausgängen. Abgesehen von den bereits erwähnten gibt es zahlreiche gleich wichtige Zustandsvariablen. Die Auswahl hängt vom System und seiner Komplexität ab.

Ein Flugzeug voller Passagiere oder ein Auto kann als System betrachtet werden, und ihre Variablen umfassen neben Masse und Temperatur auch die Kraftstoffmenge, die geografische Position, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und natürlich vieles mehr.

Abbildung 1. Ein Flugzeug kann als thermodynamisches System untersucht werden. Quelle: Pixabay.

Wenn so viele Variablen definiert werden können, wann wird eine Variable als Zustand betrachtet? Diejenigen, bei denen der Prozess, durch den die Variable ihren Wert erhält, keine Rolle spielt, werden als solcher betrachtet.

Wenn andererseits die Art der Transformation den Endwert der Variablen beeinflusst, wird sie nicht mehr als Zustandsvariable betrachtet. Wichtige Beispiele hierfür sind Arbeit und Wärme.

Die Kenntnis der Zustandsgrößen ermöglicht das System physisch in einer bestimmten Zeit t beschreibt _o . Dank der Erfahrung werden mathematische Modelle erstellt, die ihre zeitliche Entwicklung beschreiben und den Zustand zum Zeitpunkt t> t _o vorhersagen .

Intensive, umfangreiche und spezifische Variablen

Im Fall eines Gases, bei dem es sich um ein System handelt, das häufig in der Thermodynamik untersucht wird, ist die Masse einer der Hauptzustände und Grundvariablen eines jeden Systems. Es hängt mit der Menge der Materie zusammen, die es enthält. Im internationalen System wird es in kg gemessen.

Die Masse ist in einem System sehr wichtig und die thermodynamischen Eigenschaften werden danach klassifiziert, ob sie davon abhängen oder nicht:

-Intensiv: Sie sind unabhängig von Masse und Größe, zum Beispiel Temperatur, Druck, Viskosität und im Allgemeinen diejenigen, die ein System von einem anderen unterscheiden.

-Extensiv: diejenigen, die mit der Größe des Systems und seiner Masse variieren, wie z. B. Gewicht, Länge und Volumen.

-Spezifisch: diejenigen, die durch Ausdrücken umfangreicher Eigenschaften pro Masseneinheit erhalten werden. Darunter befinden sich das spezifische Gewicht und das spezifische Volumen.

Stellen Sie sich zur Unterscheidung zwischen Variablentypen vor, Sie teilen das System in zwei gleiche Teile: Wenn die Größe in jedem Teil gleich bleibt, handelt es sich um eine intensive Variable. Ist dies nicht der Fall, wird der Wert halbiert.

-Druck, Volumen und Temperatur

Volumen

Es ist der Raum, den das System einnimmt. Die Volumeneinheit im internationalen System ist der Kubikmeter: m ³ . Andere weit verbreitete Einheiten umfassen Kubikzoll, Kubikfuß und den Liter.

Druck

Es ist eine skalare Größe, die durch den Quotienten zwischen der senkrechten Komponente der auf einen Körper ausgeübten Kraft und seiner Fläche gegeben ist. Die Druckeinheit im internationalen System ist Newton / m ² oder Pascal (Pa).

Neben dem Pascal hat der Druck zahlreiche Einheiten, die je nach Gebiet eingesetzt werden. Dazu gehören psi, Atmosphäre (atm), Balken und Millimeter Quecksilber (mmHg).

Temperatur

Bei seiner Interpretation auf mikroskopischer Ebene ist die Temperatur das Maß für die kinetische Energie der Moleküle, aus denen das untersuchte Gas besteht. Auf makroskopischer Ebene gibt es die Richtung des Wärmeflusses an, wenn zwei Systeme in Kontakt gebracht werden.

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

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 die Zustandsgleichungen.

Eine Zustandsgleichung ist ein mathematisches Modell, das die Zustandsvariablen verwendet und das Verhalten des Systems modelliert. Als Untersuchungsobjekt wird ein ideales Gas vorgeschlagen, das aus einer Reihe von Molekülen besteht, die sich frei bewegen können, aber nicht miteinander interagieren.

Die vorgeschlagene Zustandsgleichung für ideale Gase lautet:

Dabei ist P der Druck, V das Volumen, N die Anzahl der Moleküle und k die Boltzmann-Konstante.

-Übung 1

Sie haben die Reifen Ihres Autos auf den vom Hersteller empfohlenen Druck von 3,21 × 10 ⁵ Pa an einem Ort aufgepumpt, an dem die Temperatur –5,00 ° C betrug, aber jetzt möchten Sie zum Strand gehen, wo es 28 ° C beträgt. Mit steigender Temperatur hat sich das Volumen eines Reifens um 3% erhöht.

Abbildung 2. Wenn die Temperatur von -5 ° C auf 28 ° C steigt, dehnt sich die Luft in den Reifen aus und es treten keine Verluste auf. der Druck steigt. Quelle: Pixabay.

Finden Sie den Enddruck im Reifen und geben Sie an, ob er die vom Hersteller angegebene Toleranz überschritten hat, die 10% des empfohlenen Drucks nicht überschreiten darf.

Lösung

Das ideale Gasmodell ist verfügbar, daher wird angenommen, dass die Luft in den Reifen der angegebenen Gleichung folgt. Es wird auch davon ausgegangen, dass die Reifen keine Luftlecks aufweisen, sodass die Anzahl der Mol konstant ist:

Die Bedingung, dass das Endvolumen um 3% gestiegen ist, ist enthalten:

Die bekannten Daten werden ersetzt und der Enddruck gelöscht. Wichtig: Die Temperatur muss in Kelvin ausgedrückt werden: T (K) = T (° C) + 273,15

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

Sie können sicher zum Strand fahren, zumindest was die Reifen betrifft, da Sie die festgelegte Druckgrenze nicht überschritten haben.

Übung 2

Ein ideales Gas hat ein Volumen von 30 Litern bei einer Temperatur von 27 ° C und einem Druck von 2 atm. Halten Sie den Druck konstant und ermitteln Sie sein Volumen, wenn die Temperatur -13 ºC überschreitet.

Lösung

Es ist ein Prozess mit konstantem Druck (isobarer Prozess). In einem solchen Fall vereinfacht sich die ideale Gaszustandsgleichung zu:

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

Lösen und Ersetzen:

Verweise

1. Borgnakke. 2009. Grundlagen der Thermodynamik. 7 ^th Ausgabe. Wiley und Söhne. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Thermodynamik. 7 ^ma Edition. McGraw Hill. 2-6.
3. Grundlegende Konzepte thermodynamischer Systeme. Wiederhergestellt von: textscientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Einführung in die Physikochemie: Thermodynamik. Pearson. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Grundlegende und angewandte Thermodynamik. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Navojoa Universität. Grundlegende Physikochemie. Wiederhergestellt von: fqb-unav.forosactivos.net