VARIABLES THERMODYNAMIQUES: CE QU'ELLES SONT ET EXERCICES RÉSOLUS - PHYSIQUE - 2025

Les variables thermodynamiques ou variables d' état sont les grandeurs macroscopiques caractérisant un système thermodynamique, la pression, le volume, la température et la masse les plus connus. 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 comprennent, 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.

Figure 1. Un avion peut être étudié comme un système thermodynamique. Source: Pixabay.

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 influe sur 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 dans un temps t _{o donné}. Grâce à l'expérience, des modèles mathématiques sont créés qui décrivent leur évolution dans le temps et prédisent l'état au temps t> t _o.

Variables intensives, extensives et spécifiques

Dans le cas d'un gaz, système fréquemment étudié en thermodynamique, la masse est l'un des principaux états et variables 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 avec la taille du système et sa masse, comme le poids, la longueur et le volume.

-Spécifique: 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, imaginez 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 est divisée par deux.

-Pression, volume et température

Le volume

C'est l'espace occupé par le système. L'unité de volume dans le système international est le mètre cube: m ³. Les autres unités largement utilisées comprennent les pouces cubes, les pieds cubes et le litre.

Pression

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 / m ² ou Pascal (Pa).

En plus du Pascal, la pression a de nombreuses unités qui sont utilisées en fonction de la zone. Ceux-ci incluent le psi, l'atmosphère (atm), les barres et les millimètres de mercure (mmHg).

Température

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).

Exercices résolus

Dans cette section, des équations seront utilisées pour obtenir les valeurs des variables lorsque le système est dans une situation particulière. Il s'agit des équations d'état.

Une équation d'état est un modèle mathématique qui utilise les 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 les unes avec les autres.

L'équation d'état proposée pour les gaz parfaits est:

Où P est la pression, V est le volume, N est le nombre de molécules et k est la constante de Boltzmann.

-Exercice 1

Vous avez gonflé les pneus de votre voiture à la pression recommandée par le fabricant de 3,21 × 10 ⁵ Pa, dans un endroit où la température était de –5,00 ° C, mais maintenant vous voulez aller à la plage, où elle est de 28 ° C. Avec l'augmentation de la température, le volume d'un pneu a augmenté de 3%.

Figure 2. Lorsque la température augmente de -5 ° C à 28 ° C, l'air dans les pneus se dilate et s'il n'y a pas de pertes. la pression augmente. Source: Pixabay.

Trouvez la pression finale dans le pneu et indiquez si elle a dépassé la tolérance donnée par le fabricant, qui ne doit pas dépasser 10% de la pression recommandée.

Solution

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, donc le nombre de taupes est constant:

La condition que le volume final a augmenté de 3% est incluse:

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

Le fabricant a indiqué que la tolérance est de 10%, donc la valeur maximale de la pression est:

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.

Exercice 2

Un gaz parfait a un volume de 30 litres à une température de 27 ° C et sa pression de 2 atm. En maintenant la pression constante, trouvez son volume lorsque la température passe -13 ºC.

Solution

C'est un processus à pression constante (processus isobare). Dans un tel cas, l'équation d'état des gaz parfaits se simplifie en:

Ce résultat est connu sous le nom de loi de Charles. Les données disponibles sont:

Résolution et remplacement:

Références

1. Borgnakke. 2009. Fondamentaux de la thermodynamique. 7 ^e édition. Wiley et fils. 13-47.
2. Cengel, Y. 2012. Thermodynamique. Édition 7 ^ma. McGraw Hill. 2-6.
3. Concepts fondamentaux des systèmes thermodynamiques. Récupéré de: textcientificos.com.
4. Engel, T. 2007. Introduction à la physicochimie: thermodynamique. Pearson. 1-9.
5. Nag, PK 2002. Thermodynamique de base et appliquée. Tata McGraw Hill. 1-4.
6. Université Navojoa. Physicochimie de base. Récupéré de: fqb-unav.forosactivos.net