Das thermodynamische Variablen oder Zustandsvariablen sind jene makroskopischen Größen, die ein thermodynamisches System charakterisieren, wobei Druck, Volumen, Temperatur und Masse am bekanntesten sind. 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 getroffene 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..
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 Zustandsvariablen ermöglicht die physikalische Beschreibung des Systems zu einem gegebenen Zeitpunkt toder. Dank der Erfahrung werden mathematische Modelle erstellt, die ihre zeitliche Entwicklung beschreiben und den Zustand zum Zeitpunkt t> t vorhersagenoder.
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Im Fall eines Gases, bei dem es sich um ein System handelt, das häufig in der Thermodynamik untersucht wird, ist das Masse Es ist eine der Haupt- und Grundzustandsvariablen 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.
-Umfangreich: solche, 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.
Um zwischen den Variablentypen zu unterscheiden, stellen Sie sich 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, verringert sich der Wert um die Hälfte.
Es ist der Raum, den das System einnimmt. Die Volumeneinheit im internationalen System ist der Kubikmeter: m3. Andere weit verbreitete Einheiten umfassen Kubikzoll, Kubikfuß und den Liter..
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 der Newton / mzwei oder Pascal (Pa).
Neben dem Pascal hat der Druck zahlreiche Einheiten, die je nach Umfang eingesetzt werden. Dazu gehören psi, Atmosphäre (atm), Balken und Millimeter Quecksilber (mmHg)..
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)..
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 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:
P.V. = N.k.T.
Wo P. Es ist der Druck, V. ist die Lautstärke, N. ist die Anzahl der Moleküle und k ist Boltzmanns Konstante.
Sie haben die Reifen Ihres Autos auf den vom Hersteller empfohlenen Druck von 3,21 × 10 aufgepumpt5 Pa, an einem Ort, an dem die Temperatur -5,00 ° C betrug, aber jetzt will er zum Strand gehen, wo es 28 ° C ist. Mit steigender Temperatur hat sich das Volumen eines Reifens um 3% erhöht.
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.
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:
anfängliche Anzahl von Molekülen (bei -5 ºC) = endgültige Anzahl von Molekülen (bei 28 ºC)
(P.V / k .T) Initiale = (P.V. / k.T.)Finale
Die Bedingung, dass sich das Endvolumen um 3% erhöht hat, ist enthalten:
(P.V / T) Initiale= 1,03 V.Initiale (P / T)Finale
Die bekannten Daten werden ersetzt und der Enddruck gelöscht. Wichtig: Die Temperatur muss in Kelvin angegeben werden: T.(K) = T (° C) + 273,15
(P / T) Finale = (P / T) Initiale /1.03 = (3,21 × 105 Pa / (-5 + 273,15 K) / 1,03 = 1,16 · 103 Pa / K.
P. Finale = (28 + 273,15 K) x1.16 x 103 Pa / K = 3,5 × 105 Pa.
Der Hersteller hat angegeben, dass die Toleranz 10% beträgt, daher beträgt der maximale Druckwert:
P. maximal = 3,21 × 105 Pa + 0,1 × 3,21 × 105 Pa = 3,531 × 105 Pa
Sie können sicher zum Strand fahren, zumindest was die Reifen betrifft, da Sie die festgelegte Druckgrenze nicht überschritten haben.
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 beträgt.
Es ist ein Prozess mit konstantem Druck (isobarer Prozess). In einem solchen Fall vereinfacht sich die ideale Gaszustandsgleichung zu:
P. Initiale = P. Finale
(N.k.T / V)Initiale= (N. k.T / V)Finale
(FERNSEHER) Initiale= (T / V) Finale
Dieses Ergebnis ist als Charles 'Gesetz bekannt. Die verfügbaren Daten sind:
V. Initiale = 30 l; T.Initiale = 27 ° C = (27 + 273,15 K) = 300,15 K; T. Finale = (- 13 + 273,15 K) = 260,15 K.
Lösen und Ersetzen:
V. Finale = V. Initiale . (T. Finale / T. Initiale) = 30 l. (260,15 K) / (300,15 K) = 26 l.
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