- 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 grandezas macroscópicas que caracterizam um sistema termodinâmico, a pressão, volume, temperatura e massa mais familiares. 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.
Figura 1. Um avião pode ser estudado como um sistema termodinâmico. Fonte: Pixabay.
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 permite descrever fisicamente o sistema em um determinado tempo t o. Graças à experiência, modelos matemáticos são criados para descrever sua evolução ao longo do tempo e prever o estado no tempo t> t o.
Variáveis intensivas, extensas e específicas
No caso de um gás, que é um sistema frequentemente estudado em termodinâmica, a massa é um dos principais estados e variáveis 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 ou não dela:
-Intensivos: são independentes da massa e do tamanho, por exemplo, temperatura, pressão, viscosidade e em geral aqueles que distinguem um sistema do 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: m 3. 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 newton / m 2 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 as 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:
Onde P é a pressão, V é o volume, N é o número de moléculas ek é a constante de Boltzmann.
-Exercício 1
Você inflou os pneus do seu carro com a pressão recomendada pelo fabricante de 3,21 × 10 5 Pa, em um local onde a temperatura era de –5,00 ° C, mas agora quer ir para a praia, onde está 28 ° C. Com o aumento da temperatura, o volume de um pneu aumentou 3%.
Figura 2. Quando a temperatura aumenta de -5ºC para 28ºC, o ar nos pneus se expande e se não há perdas. a pressão aumenta. Fonte: Pixabay.
Encontre a pressão final no pneu e indique se excedeu 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:
A condição de que o volume final tenha aumentado em 3% está incluída:
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
O fabricante indicou que a tolerância é de 10%, portanto o valor máximo da pressão é:
Pode viajar com segurança para a 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 a uma 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:
Esse resultado é conhecido como lei de Charles. Os dados disponíveis são:
Resolvendo e substituindo:
Referências
- Borgnakke. 2009. Fundamentals of Thermodynamics. 7 th Edition. Wiley and Sons. 13-47.
- Cengel, Y. 2012. Thermodynamics. 7 ma Edition. McGraw Hill. 2-6.
- Conceitos fundamentais de sistemas termodinâmicos. Recuperado de: textcientificos.com.
- Engel, T. 2007. Introdução à Físico-química: Termodinâmica. Pearson. 1-9.
- Nag, PK 2002. Basic and Applied Thermodynamics. Tata McGraw Hill. 1-4.
- Navojoa University. Físico-química básica. Recuperado de: fqb-unav.forosactivos.net