TERMODYNAMICKÉ PREMENNÉ: ČO TO SÚ A RIEŠENÉ CVIČENIA - FYZICKÝ - 2026

Tieto termodynamickej premennej alebo stavové veličiny sú tie makroskopické veličiny charakterizujúce termodynamického systému, najznámejším tlaku, objemu, teploty a hmoty. Sú veľmi užitočné pri popisovaní systémov s viacerými vstupmi a výstupmi. Existuje veľa rovnako dôležitých stavových premenných, okrem tých, ktoré už boli spomenuté. Uskutočnený výber závisí od systému a jeho zložitosti.

Lietadlo plné cestujúcich alebo auto možno považovať za systémy a ich premenné zahŕňajú okrem hmotnosti a teploty aj množstvo paliva, zemepisnú polohu, rýchlosť, zrýchlenie a samozrejme oveľa viac.

Obrázok 1. Letún možno študovať ako termodynamický systém. Zdroj: Pixabay.

Ak možno definovať toľko premenných, kedy sa premenné považujú za stav? Za také sa nepovažujú tie, v ktorých nezáleží na procese, ktorým premenná nadobúda svoju hodnotu.

Na druhú stranu, keď povaha transformácie ovplyvní konečnú hodnotu premennej, už sa nepovažuje za stavovú premennú. Dôležitými príkladmi sú práca a teplo.

Znalosť stavových premenných umožňuje fyzicky popise systému v danom čase t _o . Vďaka skúsenostiam sa vytvárajú matematické modely, ktoré popisujú ich vývoj v čase a predpovedajú stav v čase t> t _o .

Intenzívne, rozsiahle a špecifické premenné

V prípade plynu, ktorý je často študovaným termodynamickým systémom, je hmota jednou z hlavných stavov a základných premenných každého systému. Súvisí to s množstvom látky, ktorú obsahuje. V medzinárodnom systéme sa meria v kg.

Hmota je v systéme veľmi dôležitá a termodynamické vlastnosti sa klasifikujú podľa toho, či od nich závisia alebo nie:

- intenzívne: sú nezávislé od hmotnosti a veľkosti, napríklad od teploty, tlaku, viskozity a vo všeobecnosti od tých, ktoré odlišujú jeden systém od druhého.

- Rozsiahle: tie, ktoré sa líšia v závislosti od veľkosti systému a jeho hmotnosti, ako je hmotnosť, dĺžka a objem.

- Špecifické: vlastnosti získané vyjadrením rozsiahlych vlastností na jednotku hmotnosti. Medzi ne patrí špecifická hmotnosť a špecifický objem.

Na rozlíšenie medzi rôznymi typmi premenných si predstavte rozdelenie systému na dve rovnaké časti: ak veľkosť zostáva rovnaká, jedná sa o intenzívnu premennú. Ak nie je, jej hodnota sa zníži na polovicu.

- Tlak, objem a teplota

objem

Je to priestor, ktorý systém zaberá. Jednotkou objemu v medzinárodnom systéme je meter kubický: m ³ . Medzi ďalšie bežne používané jednotky patria kubické palce, kubické stopy a liter.

tlak

Je to skalárna veličina daná kvocientom medzi kolmou zložkou sily pôsobiacej na telo a jeho plochou. Jednotkou tlaku v medzinárodnom systéme je newton / m ² alebo Pascal (Pa).

Okrem Pascalu má tlak mnoho jednotiek, ktoré sa používajú podľa oblasti. Patria sem psi, atmosféra (atm), stĺpce a milimetre ortuti (mmHg).

teplota

Vo svojej interpretácii na mikroskopickej úrovni je teplota mierou kinetickej energie molekúl, ktoré tvoria študovaný plyn. A na makroskopickej úrovni ukazuje smer toku tepla pri uvedení dvoch systémov do kontaktu.

Jednotkou teploty v medzinárodnom systéme je Kelvin (K) a sú tu aj stupnice stupňov Celzia (° C) a Fahrenheita (° F).

Riešené cvičenia

V tejto časti sa na získanie hodnôt premenných použijú rovnice, keď je systém v konkrétnej situácii. Je to o štátnych rovniciach.

Stavová rovnica je matematický model, ktorý využíva stavové premenné a modeluje chovanie systému. Ideálny plyn je navrhovaný ako predmet štúdia, ktorý pozostáva zo súboru molekúl schopných voľne sa pohybovať, ale bez vzájomnej interakcie.

Navrhovaná rovnica stavu ideálnych plynov je:

Kde P je tlak, V je objem, N je počet molekúl a k je Boltzmannova konštanta.

- Cvičenie 1

Pneumatiky vášho vozidla ste nafúkli na tlak odporúčaný výrobcom 3,21 × 10 ⁵ Pa na mieste, kde bola teplota –5,00 ° C, ale teraz chcete ísť na pláž, kde je 28 ° C. S nárastom teploty sa objem pneumatiky zvýšil o 3%.

Obrázok 2. Ak teplota stúpa z -5 ° C na 28 ° C, vzduch v pneumatikách sa rozširuje a nedochádza k žiadnym stratám. tlak sa zvyšuje. Zdroj: Pixabay.

Nájdite konečný tlak v pneumatike a uveďte, či prekročil toleranciu uvedenú výrobcom, ktorá nemá prekročiť 10% odporúčaného tlaku.

Riešenie

K dispozícii je ideálny plynový model, preto sa predpokladá, že vzduch v pneumatikách bude sledovať danú rovnicu. Bude tiež predpokladať, že v pneumatikách nie sú žiadne úniky vzduchu, takže počet krtkov je konštantný:

Zahrnutá je aj podmienka, že konečný objem vzrástol o 3%:

Známe údaje sú nahradené a konečný tlak je vymazaný. Dôležité: teplota musí byť vyjadrená v kelvinoch: T (K) = T (° C) + 273,15

Výrobca uviedol, že tolerancia je 10%, preto maximálna hodnota tlaku je:

Na pláž sa môžete bezpečne dostať, aspoň pokiaľ ide o pneumatiky, pretože ste neprekročili stanovený limit tlaku.

Cvičenie 2

Ideálny plyn má objem 30 litrov pri teplote 27 ° C a tlak 2 atm. Pri udržiavaní konštantného tlaku vyhľadajte jeho objem, keď teplota prekročí -13 ° C.

Riešenie

Je to proces s konštantným tlakom (izobarický proces). V takom prípade sa ideálna plynová rovnica štátu zjednodušuje na:

Tento výsledok sa nazýva Karlov zákon. Dostupné údaje sú:

Riešenie a zastupovanie:

Referencie

1. Borgnakke. 2009. Základy termodynamiky. 7 ^th Edition. Wiley a synovia. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamika. Vydanie 7 ^ma . McGraw Hill. 2-6.
3. Základné pojmy termodynamických systémov. Zozbierané zo stránky: textscientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Úvod do fyzikálnochemie: termodynamika. Pearson. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Základná a aplikovaná termodynamika. Vrch Tata McGraw. 1-4.
6. Univerzita Navojoa. Základné fyzikálnochemické postupy. Obnovené z: fqb-unav.forosactivos.net