Il variabili termodinamiche o le variabili di stato sono quelle quantità macroscopiche che caratterizzano un sistema termodinamico, le più note sono pressione, volume, temperatura e massa. Sono molto utili per descrivere sistemi con più input e output. Esistono numerose variabili di stato altrettanto importanti, oltre a quelle già citate. La selezione effettuata dipende dal sistema e dalla sua complessità.
Un aereo pieno di passeggeri o un'auto possono essere considerati sistemi e le loro variabili includono, oltre alla massa e alla temperatura, la quantità di carburante, la posizione geografica, la velocità, l'accelerazione e ovviamente molte altre..
Se è possibile definire così tante variabili, quando una variabile è considerata stato? Quelle in cui il processo con cui la variabile acquisisce il suo valore non ha importanza sono considerate tali..
D'altra parte, quando la natura della trasformazione influenza il valore finale della variabile, questa non è più considerata come una variabile di stato. Esempi importanti di questi sono il lavoro e il calore.
La conoscenza delle variabili di stato permette di descrivere fisicamente il sistema in un dato istante to. Grazie all'esperienza, vengono creati modelli matematici che descrivono la loro evoluzione nel tempo e prevedono lo stato al tempo t> to.
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Nel caso di un gas, che è un sistema frequentemente studiato in termodinamica, il massa È una delle variabili di stato principali e fondamentali di qualsiasi sistema. È correlato alla quantità di materia che contiene. Nel Sistema Internazionale si misura in kg.
La massa è molto importante in un sistema e le proprietà termodinamiche sono classificate a seconda che dipendono o meno da essa:
-Intensivi: sono indipendenti da massa e dimensioni, ad esempio temperatura, pressione, viscosità e in generale quelle che distinguono un sistema da un altro.
-Estesi: quelli che variano con le dimensioni del sistema e la sua massa, come peso, lunghezza e volume.
-Specifici: quelli ottenuti esprimendo proprietà estensive per unità di massa. Tra questi ci sono il peso specifico e il volume specifico.
Per distinguere tra i tipi di variabili, immagina di dividere il sistema in due parti uguali: se la grandezza rimane la stessa in ciascuna, è una variabile intensiva. In caso contrario, il suo valore diminuisce della metà.
È lo spazio occupato dal sistema. L'unità di volume nel Sistema Internazionale è il metro cubo: m3. Altre unità ampiamente utilizzate includono pollici cubi, piedi cubi e il litro..
È una grandezza scalare data dal quoziente tra la componente perpendicolare della forza applicata a un corpo e la sua area. L'unità di pressione nel Sistema Internazionale è il newton / mDue o Pascal (Pa).
Oltre al Pascal, la pressione ha numerose unità che vengono utilizzate in base allo scopo. Questi includono psi, atmosfera (atm), bar e millimetri di mercurio (mmHg)..
Nella sua interpretazione a livello microscopico, la temperatura è la misura dell'energia cinetica delle molecole che compongono il gas in esame. E a livello macroscopico indica la direzione del flusso di calore quando si mettono in contatto due sistemi.
L'unità di temperatura nel Sistema Internazionale è il Kelvin (K) e ci sono anche le scale Celsius (ºC) e Fahrenheit (ºF)..
In questa sezione verranno utilizzate le equazioni per ottenere i valori delle variabili quando il sistema si trova in una situazione particolare. Si tratta di equazioni di stato.
Un'equazione di stato è un modello matematico che utilizza variabili di stato e modella il comportamento del sistema. Come oggetto di studio si propone un gas ideale, che consiste in un insieme di molecole capaci di muoversi liberamente ma senza interagire tra loro..
L'equazione di stato proposta per i gas ideali è:
P.V = N.k.T
Dove P è la pressione, V è il volume, N è il numero di molecole e K è la costante di Boltzmann.
Hai gonfiato i pneumatici della tua auto alla pressione consigliata dal produttore di 3,21 × 105 Pa, in un posto dove la temperatura era di -5.00 ° C, ma ora vuole andare in spiaggia, dove sono 28 ° C. Con l'aumentare della temperatura, il volume di uno pneumatico è aumentato del 3%.
Trova la pressione finale nel pneumatico e indica se ha superato la tolleranza data dal produttore, che non deve superare il 10% della pressione consigliata.
Il modello di gas ideale è disponibile, quindi si suppone che l'aria negli pneumatici segua l'equazione data. Assumerà inoltre che non ci siano perdite d'aria negli pneumatici, quindi il numero di moli è costante:
numero iniziale di molecole (a -5 ºC) = numero finale di molecole (a 28 ºC)
(P.V / k .T) iniziale = (P.V / k.T)finale
La condizione che il volume finale sia aumentato del 3% è inclusa:
(P.V / T) iniziale= 1,03 V.iniziale (P / T)finale
I dati noti vengono sostituiti e la pressione finale viene cancellata. Importante: la temperatura deve essere espressa in Kelvin: T(K) = T (° C) + 273,15
(P / T) finale = (P / T) iniziale /1,03 = (3,21 × 105 Pa / (-5 + 273,15 K)) /1,03 = 1,16 x 103 Pa / K
P finale = (28 + 273,15 K) X1.16 X 103 Pa / K = 3,5 x 105 papà.
Il produttore ha indicato che la tolleranza è del 10%, quindi il valore massimo della pressione è:
P massimo = 3,21 × 105 Pa + 0,1 x 3,21 × 105 Pa = 3,531 × 105 papà
Puoi recarti in spiaggia in sicurezza, almeno per quanto riguarda le gomme, dato che non hai superato il limite di pressione stabilito.
Un gas ideale ha un volume di 30 litri ad una temperatura di 27 ° C e la sua pressione di 2 atm. Mantenendo la pressione costante, trova il suo volume quando la temperatura diventa -13 ºC.
È un processo a pressione costante (processo isobarico). In tal caso l'equazione di stato dei gas ideali si semplifica in:
P iniziale = P finale
(N.k.T / V)iniziale= (N.k.T / V)finale
(TV) iniziale= (T / V) finale
Questo risultato è noto come la legge di Charles. I dati disponibili sono:
V iniziale = 30 L; Tiniziale = 27 ° C = (27 + 273,15 K) = 300,15 K; T finale = (- 13 + 273,15 K) = 260,15 K
Risolvere e sostituire:
V finale = V iniziale . (T finale / T iniziale) = 30 L. (260,15 K) / (300,15 K) = 26 l.
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