Variáveis ​​termodinâmicas: o que são e exercícios resolvidos - Ciência - 2023

Contente

• Variáveis ​​intensivas, extensas e específicas
• - Pressão, volume e temperatura
• Volume
• Pressão
• Temperatura
• Exercícios resolvidos
• -Exercício 1
• Solução
• Exercício 2
• Solução
• Referências

As variáveis ​​termodinâmicas ou variáveis ​​de estado são aquelas magnitudes macroscópicas que caracterizam um sistema termodinâmico, sendo as mais familiares pressão, volume, temperatura e massa. Eles são muito úteis na descrição de sistemas com várias entradas e saídas. Existem inúmeras variáveis ​​de estado igualmente importantes, além das já mencionadas. A seleção feita depende do sistema e de sua complexidade.

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

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

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

O conhecimento das variáveis ​​de estado nos permite descrever fisicamente o sistema em um determinado momento t_ou. Graças à experiência, são criados modelos matemáticos que descrevem sua evolução ao longo do tempo e prevêem o estado no tempo t> t_ou.

Variáveis ​​intensivas, extensas e específicas

No caso de um gás, que é um sistema frequentemente estudado em termodinâmica, o massa É uma das variáveis ​​de estado principais e fundamentais de qualquer sistema. Está relacionado com a quantidade de matéria que contém. No Sistema Internacional é medido em kg.

A massa é muito importante em um sistema e as propriedades termodinâmicas são classificadas de acordo com o fato de dependerem dela ou não:

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

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

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

Para distinguir entre tipos de variáveis, imagine dividir o sistema em duas partes iguais: se a magnitude permanece a mesma em cada uma, é uma variável intensiva. Se não for, seu valor será reduzido pela metade.

- Pressão, volume e temperatura

Volume

É o espaço ocupado pelo sistema. A unidade de volume no Sistema Internacional é o metro cúbico: m³. Outras unidades amplamente utilizadas incluem polegadas cúbicas, pés cúbicos e o litro.

Pressão

É uma magnitude escalar dada pelo quociente entre a componente perpendicular da força aplicada a um corpo e sua área. A unidade de pressão no Sistema Internacional é o newton / m² ou Pascal (Pa).

Além do Pascal, o Pressure possui inúmeras unidades que são utilizadas de acordo com a área. Isso inclui psi, atmosfera (atm), barras e milímetros de mercúrio (mmHg).

Temperatura

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

A unidade de temperatura no Sistema Internacional é Kelvin (K) e também existem as escalas Celsius (ºC) e Fahrenheit (ºF).

Exercícios resolvidos

Nesta seção, as equações serão utilizadas para obter os valores das variáveis ​​quando o sistema estiver em uma situação particular. É sobre o equações de estado.

Uma equação de estado é um modelo matemático que faz uso das variáveis ​​de estado e modela o comportamento do sistema. Um gás ideal é proposto como objeto de estudo, que consiste em um conjunto de moléculas capazes de se mover livremente, mas sem interagir umas com as outras.

A equação de estado 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 a constante de Boltzmann.

-Exercício 1

Você inflou os pneus do seu carro com a pressão recomendada pelo fabricante de 3,21 × 10⁵ Pa, em um local onde a temperatura era de –5,00 ° C, mas agora ele quer ir à praia, onde está 28 ° C. Com o aumento da temperatura, o volume de um pneu aumentou 3%.

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

Solução

O modelo de gás ideal está disponível, portanto, o ar nos pneus deve seguir a equação fornecida. Ele também assumirá que não há vazamentos de ar nos pneus, então o número de moles é constante:

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

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

A condição de que o volume final tenha aumentado em 3% está incluída:

(P.V / T) _inicial= 1,03V_inicial (P / T)_final

Os dados conhecidos são substituídos e a pressão final é eliminada. Importante: a temperatura deve ser expressa em Kelvin: T(K) = T (° C) + 273,15

(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

Pode viajar com segurança até à praia, pelo menos no que diz respeito aos pneus, desde que não tenha ultrapassado o limite de pressão estabelecido.

Exercício 2

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

Solução

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

P_inicial = P_final

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

(TELEVISÃO) _inicial= (T / V) _final

Esse resultado é conhecido como lei de Charles. Os dados disponíveis são:

V _inicial = 30 L; T_inicial = 27 ° C = (27 + 273,15 K) = 300,15 K; T_final = (- 13 + 273,15 K) = 260,15 K

Resolvendo e substituindo:

V _final = V _inicial . (T_final / T_inicial) = 30 L. (260,15 K) / (300,15 K) = 26 L.

Referências

1. Borgnakke. 2009. Fundamentals of Thermodynamics. 7^º Edição. Wiley and Sons. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Thermodynamics. 7^mãe Edição. McGraw Hill. 2-6.
3. Conceitos fundamentais de sistemas termodinâmicos. Recuperado de: textcientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Introduction to Physicochemistry: Thermodynamics. Pearson. 1-9.
5. Nag, P.K. 2002. Termodinâmica Básica e Aplicada. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Navojoa University. Físico-química básica. Recuperado de: fqb-unav.forosactivos.net