CÁC BIẾN NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC: CHÚNG LÀ GÌ VÀ CÁC BÀI TẬP ĐÃ GIẢI - VẬT LÝ - 2026

Các biến nhiệt động lực học hay biến trạng thái là những đại lượng vĩ mô đặc trưng cho một hệ nhiệt động lực học, áp suất, thể tích, nhiệt độ và khối lượng quen thuộc nhất. Chúng rất hữu ích trong việc mô tả các hệ thống có nhiều đầu vào và đầu ra. Có rất nhiều biến trạng thái quan trọng như nhau, ngoài những biến trạng thái đã được đề cập. Việc lựa chọn được thực hiện phụ thuộc vào hệ thống và độ phức tạp của nó.

Một chiếc máy bay chở đầy hành khách hoặc một chiếc ô tô có thể được coi là hệ thống và các biến số của chúng bao gồm, ngoài khối lượng và nhiệt độ, lượng nhiên liệu, vị trí địa lý, tốc độ, gia tốc và tất nhiên là nhiều thứ khác.

Hình 1. Máy bay có thể được nghiên cứu như một hệ thống nhiệt động lực học. Nguồn: Pixabay.

Nếu có thể xác định nhiều biến như vậy thì khi nào một biến được coi là trạng thái? Những quá trình mà biến nhận được giá trị của nó không quan trọng được coi là như vậy.

Mặt khác, khi bản chất của phép biến đổi ảnh hưởng đến giá trị cuối cùng của biến, nó không còn được coi là một biến trạng thái nữa. Các ví dụ quan trọng trong số này là công và nhiệt.

Kiến thức về các biến trạng thái cho phép mô tả vật lý hệ thống trong một thời gian nhất định t _o . Nhờ kinh nghiệm, các mô hình toán học được tạo ra mô tả sự tiến hóa của chúng theo thời gian và dự đoán trạng thái tại thời điểm t> t _o .

Các biến chuyên sâu, mở rộng và cụ thể

Trong trường hợp chất khí, là một hệ thường xuyên được nghiên cứu trong nhiệt động lực học, khối lượng là một trong những trạng thái chính và các biến cơ bản của bất kỳ hệ nào. Nó liên quan đến lượng vật chất mà nó chứa. Trong Hệ thống Quốc tế, nó được đo bằng kg.

Khối lượng rất quan trọng trong một hệ thống và các đặc tính nhiệt động lực học được phân loại tùy theo việc chúng có phụ thuộc vào nó hay không:

-Tính chất: chúng không phụ thuộc vào khối lượng và kích thước, ví dụ nhiệt độ, áp suất, độ nhớt và nói chung là những yếu tố phân biệt hệ này với hệ khác.

- Đắt: những thay đổi theo kích thước của hệ thống và khối lượng của nó, chẳng hạn như trọng lượng, chiều dài và khối lượng.

-Cụ thể: những cái thu được bằng cách thể hiện tính chất mở rộng trên một đơn vị khối lượng. Trong số đó có khối lượng riêng và khối lượng riêng.

Để phân biệt giữa các loại biến, hãy tưởng tượng việc chia hệ thống thành hai phần bằng nhau: nếu độ lớn của mỗi phần không đổi thì đó là một biến chuyên sâu. Nếu không, giá trị của nó bị giảm một nửa.

-Áp suất, khối lượng và nhiệt độ

Âm lượng

Nó là không gian bị chiếm dụng bởi hệ thống. Đơn vị thể tích trong Hệ thống quốc tế là mét khối: m ³ . Các đơn vị khác được sử dụng rộng rãi bao gồm inch khối, feet khối và lít.

Sức ép

Nó là độ lớn vô hướng được cho bởi thương số giữa thành phần vuông góc của lực tác dụng lên một vật và diện tích của nó. Đơn vị áp suất trong Hệ thống quốc tế là newton / m ² hoặc Pascal (Pa).

Ngoài Pascal, áp suất còn có nhiều đơn vị được sử dụng tùy theo khu vực. Chúng bao gồm psi, khí quyển (atm), thanh và milimét thủy ngân (mmHg).

Nhiệt độ

Theo cách hiểu của nó ở cấp độ vi mô, nhiệt độ là thước đo động năng của các phân tử tạo nên chất khí được nghiên cứu. Và ở cấp độ vĩ mô nó chỉ ra hướng của dòng nhiệt khi đặt hai hệ thống tiếp xúc với nhau.

Đơn vị nhiệt độ trong Hệ thống quốc tế là Kelvin (K) và cũng có các thang độ C (ºC) và Fahrenheit (ºF).

Bài tập đã giải

Trong phần này, các phương trình sẽ được sử dụng để lấy giá trị của các biến khi hệ thống ở trong một tình huống cụ thể. Đó là về các phương trình trạng thái.

Phương trình trạng thái là một mô hình toán học sử dụng các biến trạng thái và mô hình hóa hoạt động của hệ thống. Khí lý tưởng được đề xuất như một đối tượng nghiên cứu, bao gồm một tập hợp các phân tử có khả năng chuyển động tự do nhưng không tương tác với nhau.

Phương trình trạng thái được đề xuất của khí lý tưởng là:

Trong đó P là áp suất, V là thể tích, N là số phân tử và k là hằng số Boltzmann.

-Bài tập 1

Bạn đã bơm căng lốp ô tô của mình đến áp suất khuyến nghị của nhà sản xuất là 3,21 × 10 ⁵ Pa, ở nơi có nhiệt độ –5,00 ° C, nhưng bây giờ bạn muốn đi đến bãi biển, nơi đó là 28 ° C. Khi nhiệt độ tăng, thể tích của lốp xe đã tăng thêm 3%.

Hình 2. Khi nhiệt độ tăng từ -5ºC đến 28ºC, không khí trong lốp xe nở ra và nếu không có tổn thất. áp suất tăng lên. Nguồn: Pixabay.

Tìm áp suất cuối cùng trong lốp và cho biết liệu nó có vượt quá dung sai do nhà sản xuất đưa ra hay không, tức là không vượt quá 10% áp suất khuyến nghị.

Giải pháp

Mô hình khí lý tưởng có sẵn, do đó không khí trong lốp xe sẽ được giả định tuân theo phương trình đã cho. Nó cũng sẽ giả định rằng không có rò rỉ khí trong lốp xe, vì vậy số mol là không đổi:

Điều kiện để khối lượng cuối cùng đã tăng 3% được bao gồm:

Dữ liệu đã biết được thay thế và áp suất cuối cùng được xóa. Quan trọng: nhiệt độ phải được biểu thị bằng Kelvin: T (K) = T (° C) + 273,15

Nhà sản xuất đã chỉ ra rằng dung sai là 10%, do đó giá trị lớn nhất của áp suất là:

Bạn có thể đi đến bãi biển một cách an toàn, ít nhất là khi lốp xe có liên quan, vì bạn chưa vượt quá giới hạn áp suất đã thiết lập.

Bài tập 2

Một lượng khí lý tưởng có thể tích 30 lít ở nhiệt độ 27 ° C và áp suất của nó là 2 atm. Giữ áp suất không đổi, tìm thể tích của nó khi nhiệt độ vượt qua -13ºC.

Giải pháp

Đó là một quá trình đẳng áp (quá trình đẳng áp). Trong trường hợp này, phương trình trạng thái khí lý tưởng đơn giản hóa thành:

Kết quả này được gọi là định luật Charles. Dữ liệu có sẵn là:

Giải quyết và thay thế:

Người giới thiệu

1. Borgnakke. 2009. Cơ bản về Nhiệt động lực học. Phiên bản ^thứ 7 . Wiley và các con trai. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Nhiệt động lực học. Bản 7 ^ma . Đồi McGraw. 2-6.
3. Các khái niệm cơ bản về hệ thống nhiệt động lực học. Khôi phục từ: textcientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Nhập môn Hóa lý: Nhiệt động lực học. Lề. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Nhiệt động lực học cơ bản và ứng dụng. Đồi Tata McGraw. 1-4.
6. Đại học Navojoa. Hóa lý cơ bản. Khôi phục từ: fqb-unav.forosactivos.net