Variáveis ​​termodinâmicas que são e exercícios resolvidos

As Variáveis ​​termodinâmicas o Variáveis ​​de estado são aquelas magnitudes macroscópicas que caracterizam um sistema termodinâmico, o mais familiar é pressão, volume, temperatura e massa. Eles são muito úteis na descrição dos sistemas com múltiplas entradas e saídas. Existem inúmeras variáveis ​​estatais igualmente importantes, além do mencionado. A seleção feita depende do sistema e de sua complexidade.

Um avião cheio de passageiros ou um carro pode ser considerado como sistemas e suas variáveis ​​incluem, além da massa e da temperatura, a quantidade de combustível, a posição geográfica, velocidade, aceleração e, claro, muito mais.

figura 1. Um avião pode ser estudado como um sistema termodinâmico. Fonte: Pixabay.

Se tantas variáveis ​​puderem ser definidas, quando uma variável é considerada como um estado? São considerados como tal em que o processo pelo qual a variável adquire seu valor não importa.

Por outro lado, quando a natureza da transformação influencia o valor final da variável, ela não é mais considerada como uma variável de estado. Exemplos importantes destes são trabalhos e calor.

O conhecimento das variáveis ​​de estado permite que o sistema seja descrito fisicamente em um determinado momento_qualquer. Graças à experiência, são criados modelos matemáticos que descrevem sua evolução ao longo do tempo e prevêem o estado em um tempo t> t_qualquer.

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Variáveis ​​intensivas, extensas e específicas

No caso de um gás, que é um sistema frequentemente estudado na termodinâmica, o massa É uma das variáveis ​​estatais principais e fundamentais de cada sistema. Está relacionado à quantidade de matéria que ela contém. No sistema internacional, é medido em kg.

A massa é muito importante em um sistema e as propriedades termodinâmicas são classificadas como são dependentes ou não:

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-Intensivo: são independentes da massa e tamanho, por exemplo, temperatura, pressão, viscosidade e, em geral, aqueles que distinguem um sistema de outro.

-Extenso: aqueles que variam com o tamanho do sistema e sua massa, como peso, comprimento e volume.

-Específico: aqueles obtidos expressando propriedades extensas por unidade de massa. Entre eles estão a gravidade específica e o volume específico.

Para distinguir entre os tipos de variáveis, imagine dividir o sistema em duas partes iguais: se a magnitude permanecer a mesma em cada uma, é uma variável intensiva. Caso contrário, seu valor diminui pela metade.

-Pressão, volume e temperatura

Volume

É o espaço ocupado pelo sistema. A unidade de volume no sistema internacional é o medidor cúbico: M³. Outras unidades amplamente utilizadas incluem polegadas cúbicas, pés cúbicos e litro.

Pressão

É uma magnitude escalar dada pelo quociente entre o componente perpendicular da força aplicada a um corpo e a área. A unidade de pressão no sistema internacional é o Newton /M² Ó Pascal (PA).

Além do Pascal, a pressão tem numerosos unidades que são usadas de acordo com o escopo. Entre eles estão o PSI, a atmosfera (ATM), as barras e os milímetros de Mercúrio (MMHG).

Temperatura

Em sua interpretação microscópica, a temperatura é a medida da energia cinética das moléculas que constituem o gás em estudo. E no nível macroscópico indica a direção do fluxo de calor entrando em contato com dois sistemas.

A unidade de temperatura no sistema internacional é a Kelvin (K) e também há as escalas Celsius (ºC) e Fahrenheit (ºF) (ºF).

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Exercícios resolvidos

Esta seção usará equações para obter os valores das variáveis ​​quando o sistema estiver em uma situação específica. É sobre Equações estaduais.

Uma equação do estado é um modelo matemático que utiliza variáveis ​​de estado e comportamento do sistema de modelos. Um objeto de estudo é proposto como um gás ideal, que consiste em um conjunto de moléculas capazes de se mover livremente, mas sem interagir entre eles.

A equação de status proposta para gases ideais é:

P.V = n.k.T

Onde P É a pressão, V É o volume, N É o número de moléculas e k É constante de Boltzmann.

-Exercício 1

Você inflou os pneus do seu carro à pressão recomendada pelo fabricante de 3.21 × 10⁵ PA, em um lugar onde a temperatura era -5.00 ° C, mas agora quer ir à praia, onde há 28 ºC. Com o aumento da temperatura, o volume de um pneu aumentou 3%.

Figura 2. Ao aumentar a temperatura de -5ºC para 28 ºC, o ar dos pneus se expande e se não houver perdas. A pressão aumenta. Fonte: Pixabay.

Encontre a pressão final no pneu e indique se ele excedeu a tolerância dada pelo fabricante, o que não deve exceder 10% da pressão recomendada.

Solução

O modelo de gás ideal está disponível, portanto, será assumido que o ar dos pneus segue a equação fornecida. Isso também significa que não há perdas de ar nos pneus, portanto o número de toupeiras é constante:

Número inicial de moléculas (a -5 ºC) = número de moléculas finais (a 28 ºC)

(P.V/ k .T) _inicial = (P.V/ k.T)_final

Inclui a condição de que o volume final tenha aumentado 3%:

Pode atendê -lo: circuito paralelo

(P.V/t) _inicial= 1.03V_inicial (P /T)_final

Os dados conhecidos são substituídos e a pressão final é limpa. Importante: A temperatura deve ser expressa em Kelvin: T(K) = t (° C) + 273.quinze

(P/T) _final = (P/t) _inicial /1.03 = (3.21 × 10⁵ PA / (-5 + 273.15 k)) /1.03 = 1.16 x 10³ PA/K

P _final = (28 + 273.15 k) _x1.16 _x 10³ PA/K = 3.5 x 10⁵ PA.

O fabricante indicou que a tolerância é de 10 %, portanto, o valor máximo da pressão é:

P _máximo = 3.21 × 10⁵ PA + 0.1 x 3.21 × 10⁵ PA = 3.531 × 10⁵ PA

Você pode viajar silenciosamente para a praia, pelo menos no que diz respeito aos pneus, pois não excedeu o limite de pressão estabelecido.

Exercício 2

Um gás ideal tem um volume de 30 litros a uma temperatura de 27 ° C e sua pressão de 2 atm. Mantendo a pressão constante, encontre seu volume quando a temperatura passar sendo -13 ºC.

Solução

É um processo de pressão constante (processo isobárico). Nesse caso, a equação ideal do status do gás é simplificada para:

P _inicial = P _final

(N.k.TELEVISÃO)_inicial= (N.k.TELEVISÃO)_final

(TELEVISÃO) _inicial= (T/V) _final

Resultado conhecido como lei de Charles. Os dados disponíveis são:

V _inicial = 30 L; T_inicial = 27 ºC = (27 + 273.15 k) = 300.15 k; T _final = (-13+273.15 k) = 260.15 k

Limpeza e substituição:

V _final = V _inicial . (T _final /T _inicial) = 30 L . (260.15 k)/(300.15 k) = 26 L.

Referências

1. Borgnakke. 2009. Fundamentos da termodinâmica. 7^º Edição. Wiley e Sons. 13-47.
2. Cengel, e. 2012. Termodinâmica. 7^MA Edição. McGraw Hill. 2-6.
3. Conceitos fundamentais de sistemas termodinâmicos. Recuperado de: textScientificsas.com.
4. Engel, t. 2007. Introdução à físico -química: termodinâmica. Pearson. 1-9.
5. Nag, p.K. 2002. Termodinâmica básica e aplicada. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Universidade de Navojoa. Físico -química básica. Recuperado de: FQB-UNAV.Forosactive.líquido