- Variables intensives, extensives i específiques
- -Pressió, volum i temperatura
- volum
- pressió
- temperatura
- exercicis resolts
- -Exercici 1
- solució
- exercici 2
- solució
- referències
Les variables termodinàmiques o variables d'estat són aquelles magnituds macroscòpiques que caracteritzen un sistema termodinàmic, sent les més familiars la pressió, el volum, la temperatura i la massa. Són molt útils en la descripció de sistemes amb múltiples entrades i sortides. Existeixen nombroses variables d'estat igualment importants, a part de les ja esmentades. La selecció que es faci depèn de el sistema i de la seva complexitat.
Un avió ple de passatgers o un automòbil poden ser considerats com a sistemes i les seves variables inclouen a més de massa i temperatura, la quantitat de combustible, la posició geogràfica, velocitat, acceleració i per descomptat moltes més.
Figura 1. Un avió es pot estudiar com un sistema termodinàmic. Font: Pixabay.
Si poden definir-se tantes variables, quan una variable és considerada d'estat? Són considerades com a tals aquelles en què no importi el procés pel qual la variable adquireix el seu valor.
En canvi, quan la naturalesa de la transformació influeix en el valor final de la variable, ja no se la considera com a variable d'estat. Exemples importants d'aquestes són el treball i la calor.
El coneixement de les variables d'estat permet descriure físicament el sistema en un temps donat t o. Gràcies a l'experiència es creen models matemàtics que descriuen la seva evolució en el temps i prediuen l'estat en un temps t> t o.
Variables intensives, extensives i específiques
En el cas d'un gas, que és un sistema estudiat amb freqüència en termodinàmica, la massa és una de les principals variables d'estat i fonamental de tot sistema. Està relacionada amb la quantitat de matèria que aquest conté. En el Sistema Internacional es mesura en kg.
La massa és molt important en un sistema i les propietats termodinàmiques es classifiquen segons siguin dependents o no d'ella:
-Intensivas: són independents de la massa i la mida, per exemple la temperatura, la pressió, la viscositat i en general aquelles que distingeixen un sistema d'un altre.
-Extensivas: aquelles que varien amb la grandària de sistema i la seva massa, com ara el pes, la longitud i el volum.
-Específicas: les que s'obtenen a l'expressar les propietats extensives per unitat de massa. Entre elles hi ha la gravetat específica i el volum específic.
Per distingir entre els tipus de variables, imagini dividir el sistema en dues parts iguals: si la magnitud segueix sent la mateixa en cadascuna, es tracta d'una variable intensiva. Si no ho és, el seu valor disminueix a la meitat.
-Pressió, volum i temperatura
volum
És l'espai ocupat pel sistema. La unitat de l'volum en el Sistema Internacional és el metre cúbic: m 3. Altres unitats àmpliament utilitzades inclouen les polzades cúbiques, els peus cúbics i el litre.
pressió
És una magnitud escalar donada pel quocient entre la component perpendicular de la força aplicada a un cos i l'àrea d'aquest. La unitat de la pressió en el Sistema Internacional és el newton / m 2 o Pascal (Pa).
A més de l'Pascal la pressió té nombroses unitats que s'utilitzen d'acord a l'àmbit. Entre elles hi ha el psi, l'atmosfera (atm), els bars i els mil·límetres de mercuri (mmHg).
temperatura
En la seva interpretació a nivell microscòpic la temperatura és la mesura de l'energia cinètica de les molècules que constitueixen el gas sota estudi. I a nivell macroscòpic assenyala la direcció de el flux de calor a l'posar en contacte dos sistemes.
La unitat de temperatura en el Sistema Internacional és el Kelvin (K) ia més hi ha les escales Celsius (ºC) i Fahrenheit (ºF).
exercicis resolts
En aquest apartat es farà ús d'equacions per obtenir els valors de les variables quan el sistema es troba en una situació particular. Es tracta de les equacions d'estat.
Una equació d'estat és un model matemàtic que fa ús de les variables d'estat i modela el comportament de sistema. Es proposa com a objecte d'estudi a un gas ideal, que consisteix en un conjunt de molècules capaces de moure lliurement però sense interactuar entre elles.
L'equació d'estat proposta per als gasos ideals és:
On P és la pressió, V és el volum, N és el nombre de molècules i k és la constant de Boltzmann.
-Exercici 1
Vostè va inflar els pneumàtics del seu cotxe a la pressió recomanada pel fabricant de 3.21 × 10 5 Pa, en un lloc on la temperatura era de -5.00 ° C, però ara vol anar fins a la platja, on hi ha 28 ºC. Amb l'augment de la temperatura, el volum d'un pneumàtic ha augmentat en 3%.
Figura 2. A l'augmentar la temperatura des -5ºC a 28 ºC l'aire dels pneumàtics s'expandeix i si no hi ha pèrdues. la pressió augmenta. Font: Pixabay.
Trobi la pressió final al pneumàtic i indiqui si ha superat la tolerància donada pel fabricant, que és no excedir el 10% de la pressió recomanada.
solució
Es disposa d'el model de gas ideal, per tant es suposarà que l'aire dels pneumàtics segueix l'equació donada. També suposarà que no hi ha pèrdues d'aire en els pneumàtics, de manera que el nombre de mols és constant:
S'inclou la condició que el volum final ha augmentat en un 3%:
Se substitueixen les dades conegudes i es refusa la pressió final. Important: la temperatura ha d'estar expressada en Kelvin: T (K) = T (° C) + 273.15
El fabricant ha indicat que la tolerància és de l'10%, per tant el valor màxim de la pressió és:
Pot viatjar tranquil·lament a la platja, al menys pel que fa als pneumàtics es refereix, ja que no ha superat el límit de pressió establert.
exercici 2
Un gas ideal posseeix un volum de 30 litres a una temperatura de 27 ° C i la seva pressió de 2 atm. Mantenint constant la pressió, trobi el seu volum quan la temperatura passa de ser -13 ºC.
solució
Es tracta d'un procés a pressió constant (procés isobàric). En aquest cas l'equació d'estat de gas ideal es simplifica a:
Resultat que es coneix com a llei de Charles. Les dades de què es disposa són:
Aïllant i substituint:
referències
- Borgnakke. 2009. Fundamentals of Thermodynamics. 7 th Edition. Wiley and Sons. 13-47.
- Cengel, I. 2012. termodinàmica. 7 ma Edició. McGraw Hill. 2-6.
- Conceptes fonamentals dels sistemes termodinàmics. recobrat de: textoscientificos.com.
- Engel, T. 2007. Introducció a la Fisicoquímica: termodinàmica. Pearson. 1-9.
- Nag, PK 2002. Basic and Applied Thermodynamics. Tata McGraw Hill. 1-4.
- Universitat de Navojoa. Fisicoquímica Bàsica. Recobrat de: fqb-unav.forosactivos.net