As variáveis termodinâmicas ou variáveis de estado são aquelas grandezas 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 é 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 deixa de ser considerada uma variável de estado. Exemplos importantes disso são trabalho e calor.
O conhecimento das variáveis de estado permite descrever fisicamente o sistema em um determinado momento tou. Graças à experiência, são criados modelos matemáticos que descrevem sua evolução ao longo do tempo e prevêem o estado no tempo t> tou.
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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 à 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 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 permanece a mesma em cada uma, é uma variável intensiva. Se não for, seu valor diminui pela metade.
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..
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 / mdois ou Pascal (Pa).
Além do Pascal, a pressão possui inúmeras unidades que são utilizadas de acordo com o escopo. Isso inclui psi, atmosfera (atm), barras e milímetros de mercúrio (mmHg)..
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)..
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 de 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.
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 excedeu a tolerância dada pelo fabricante, que não deve ultrapassar 10% da pressão recomendada.
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, portanto, 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= 1,03Vinicial (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
Você pode viajar com segurança para a praia, pelo menos no que diz respeito aos pneus, desde que você não tenha ultrapassado o limite de pressão estabelecido.
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 chegar a -13 ºC.
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; Tinicial = 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.
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