le variables thermodynamiques ou les variables d'état sont les grandeurs macroscopiques qui caractérisent un système thermodynamique, les plus connues étant la pression, le volume, la température et la masse. Ils sont très utiles pour décrire des systèmes avec plusieurs entrées et sorties. Il existe de nombreuses variables d'état tout aussi importantes, en dehors de celles déjà mentionnées. La sélection effectuée dépend du système et de sa complexité.
Un avion plein de passagers ou une voiture peuvent être considérés comme des systèmes et leurs variables incluent, en plus de la masse et de la température, la quantité de carburant, la position géographique, la vitesse, l'accélération et bien sûr bien d'autres..
Si autant de variables peuvent être définies, quand une variable est-elle considérée comme un état? Ceux dans lesquels le processus par lequel la variable acquiert sa valeur n'a pas d'importance sont considérés comme tels..
En revanche, lorsque la nature de la transformation influence la valeur finale de la variable, elle n'est plus considérée comme une variable d'état. Le travail et la chaleur en sont des exemples importants.
La connaissance des variables d'état permet de décrire physiquement le système à un instant t donnéou alors. Grâce à l'expérience, des modèles mathématiques sont créés qui décrivent leur évolution dans le temps et prédisent l'état au temps t> tou alors.
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Dans le cas d'un gaz, système fréquemment étudié en thermodynamique, le Masse C'est l'une des variables d'état principales et fondamentales de tout système. Il est lié à la quantité de matière qu'il contient. Dans le système international, il est mesuré en kg.
La masse est très importante dans un système et les propriétés thermodynamiques sont classées selon qu'elles en dépendent ou non:
-Intensif: ils sont indépendants de la masse et de la taille, par exemple la température, la pression, la viscosité et en général ceux qui distinguent un système d'un autre.
-Extensif: ceux qui varient en fonction de la taille du système et de sa masse, comme le poids, la longueur et le volume.
-Spécifiques: ceux obtenus en exprimant des propriétés extensives par unité de masse. Parmi eux se trouvent la gravité spécifique et le volume spécifique.
Pour distinguer les types de variables, imaginons de diviser le système en deux parties égales: si la grandeur reste la même dans chacune, c'est une variable intensive. Si ce n'est pas le cas, sa valeur diminue de moitié.
C'est l'espace occupé par le système. L'unité de volume dans le système international est le mètre cube: m3. Les autres unités largement utilisées comprennent les pouces cubes, les pieds cubes et le litre..
C'est une grandeur scalaire donnée par le quotient entre la composante perpendiculaire de la force appliquée à un corps et sa surface. L'unité de pression dans le système international est le newton / mdeux ou Pascal (Pa).
En plus du Pascal, la pression a de nombreuses unités qui sont utilisées en fonction de la portée. Ceux-ci comprennent le psi, l'atmosphère (atm), les barres et les millimètres de mercure (mmHg)..
Dans son interprétation au niveau microscopique, la température est la mesure de l'énergie cinétique des molécules qui composent le gaz étudié. Et au niveau macroscopique il indique la direction du flux thermique lors de la mise en contact de deux systèmes.
L'unité de température dans le système international est le Kelvin (K) et il existe également les échelles Celsius (ºC) et Fahrenheit (ºF)..
Dans cette section, des équations seront utilisées pour obtenir les valeurs des variables lorsque le système est dans une situation particulière. Il s'agit de la équations d'état.
Une équation d'état est un modèle mathématique qui utilise des variables d'état et modélise le comportement du système. Un gaz parfait est proposé comme objet d'étude, qui consiste en un ensemble de molécules capables de se déplacer librement mais sans interagir entre elles..
L'équation d'état proposée pour les gaz parfaits est:
P.V = N.k.T
Où P c'est la pression, V est le volume, N est le nombre de molécules et k est la constante de Boltzmann.
Vous avez gonflé les pneus de votre voiture à la pression recommandée par le fabricant de 3,21 × 105 Pa, dans un endroit où la température était de -5,00 ° C, mais maintenant il veut aller à la plage, où il fait 28 ° C. Avec l'augmentation de la température, le volume d'un pneu a augmenté de 3%.
Trouvez la pression finale dans le pneu et indiquez si elle a dépassé la tolérance donnée par le constructeur, qui ne doit pas dépasser 10% de la pression recommandée.
Le modèle de gaz parfait est disponible, donc l'air dans les pneus sera supposé suivre l'équation donnée. Il supposera également qu'il n'y a pas de fuites d'air dans les pneus, de sorte que le nombre de taupes est constant:
nombre initial de molécules (à -5 ºC) = nombre final de molécules (à 28 ºC)
(P.V / k .T) initiale = (P.V / k.T)final
La condition que le volume final a augmenté de 3% est incluse:
(P.V / T) initiale= 1,03 Vinitiale (P / T)final
Les données connues sont remplacées et la pression finale est effacée. Important: la température doit être exprimée en Kelvin: T(K) = T (° C) + 273,15
(P / T) final = (P / T) initiale /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 dix3 Pa / K = 3,5 x 105 Pennsylvanie.
Le fabricant a indiqué que la tolérance est de 10%, donc la valeur maximale de la pression est:
P maximum = 3,21 × 105 Pa + 0,1 x 3,21 × 105 Pa = 3,531 × 105 Pennsylvanie
Vous pouvez vous rendre à la plage en toute sécurité, du moins en ce qui concerne les pneus, car vous n'avez pas dépassé la limite de pression établie.
Un gaz parfait a un volume de 30 litres à une température de 27 ° C et sa pression de 2 atm. En gardant la pression constante, trouvez son volume lorsque la température devient -13 ºC.
C'est un processus à pression constante (processus isobare). Dans un tel cas, l'équation d'état des gaz parfaits se simplifie en:
P initiale = P final
(N.k.T / V)initiale= (N.k.T / V)final
(LA TÉLÉ) initiale= (T / V) final
Ce résultat est connu sous le nom de loi de Charles. Les données disponibles sont:
V initiale = 30 L; Tinitiale = 27 ° C = (27 + 273,15 K) = 300,15 K; T final = (- 13 + 273,15 K) = 260,15 K
Résolution et remplacement:
V final = V initiale . (T final / T initiale) = 30 L. (260,15 K) / (300,15 K) = 26 L.
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