Ariketak#




Oinarrizko ekuazioaren eraikuntza#



Zenbait ariketa, adibide

Kontuz ibili behar da oinarrizko ekuazioa eraiki behar denean egoera-ekuazioetatik abiatuta. Oinarrizko ekuazioaren zer forma, energetikoa edo entropikoa, lortu(behar)ko dugun, egoera-ekuazioek esango digute. Beraz, ondo erreparatu egoera-ekuazioetan agertzen diren aldagai naturalei, hortxe baitago gakoa.

Hurrengo sei ariketetan, lortu oinarrizko ekuazioa. Kontuan izan sistema denak hidrostatikoak direla, baina bina egoera-ekuazio baino ez dela ezagutzen enuntziatuetan.





Testuingurua

1. ARIKETA

T=3As2v
p=As3v2





Testuingurua

2. ARIKETA

U=PV
P=BT2





Testuingurua

3. ARIKETA

u=32pv
u12=BTv13





Testuingurua

4. ARIKETA

U=12PV
T2=AU32VN12





Testuingurua

5. ARIKETA

Gas ideala






Testuingurua

6. ARIKETA

Van der Waals-en jariakina






Oinarrizko ekuazioaren propietateak eta gehiago…#



Testuingurua

7. ARIKETA

Zenbait sistema termodinamikori dagokion oinarrizko ekuazioa agertuko da ondoren. Dena den, horietariko bost, II, III eta IV postulatuetatik baten edo gehiagoren aurka dago; eta, ondorioz, fisikoki onartezinak dira.

Adieraz itzazu aipatu bostak, eta betegabeko postulatua(k). Adierazpen horietan guztietan, v0, θ eta R konstante positiboak dira.

Onartu erro positibo erreala soilik, berretura frakzionarioa ageri den guztietan.

1. S=(R2v0θ)13[NVU]13

2. S=(Rθ2)13[NUV]23

3. S=(Rθ)12[NURθV2v02]12

4. S=(R2θv03)V3NU

5. S=(R3v0θ2)15[N2VU2]15

6. S=NRln(UVN2Rθv0)

7. S=(Rθ)12[NU]12exp(V22N2v02)

8. S=(Rθ)12[NU]12exp(UVNRθv0)

9. U=(v0θR)S2Vexp(SNR)

10. U=(Rθv0)NV(1+SNR)exp(SNR)

(C 1.9.1)






Testuingurua

8. ARIKETA

Lortu U barne-energia S, V eta N aldagaien funtzioan, aurreko ariketako fisikoki onargarriak diren oinarrizko ekuazioen kasuetarako.

(C 1.9.2)






Testuingurua

9. ARIKETA

A sistemaren oinarrizko ekuazioa honako hau da:

SA=(R2v0θ)13[NAVAUA]13

B sistemarena, berriz:

SB=(R2v0θ)13[NBVBUB]13

Lortu A+B sistema konposatuaren oinarrizko ekuazioa

(C 1.9.3)






Testuingurua

10. ARIKETA

Onartu aurreko ariketan deskribatutako A eta B azpisistemen arteko bereizte-horma finkoa, iragaztezina eta energia trukatzen utziko duena dela. Modu berean, demagun A sistemaren bolumena 3 cm3 dela, eta mol-kopurua 3. B sistemaren kasuan, bolumena 4 cm3 da eta mol-kopurua, 2.

Sistema konposatuaren energia osoa 20 cal da.

  1. Adieraz ezazu entropia A sistemari dagokion UA(UA+UB) energia-frakzioaren funtzioan.

  2. Zenbatekoa da azpisistema bakoitzari dagokion barne-energia sistemak oreka lortu duen kasurako?

(C 1.9.4)






Testuingurua

11. ARIKETA

Lortu ondoko oinarrizko ekuazioko sistemari dagozkion hiru egoera-ekuazioak:

U=(v0θR2)S3NV

(C 2.2.1)






Testuingurua

12. ARIKETA

Lortu aurreko sistemari dagokion μ potentzial kimikoa.

Adieraz ezazu emaitza T, V eta N parametroen funtzioan.

(C 2.2.2)






Testuingurua

13. ARIKETA

Lortu aurreko sistemaren kasuan, eta tenperatura finkoa denean, presioak bolumenarekiko duen mendekotasuna, hautazkoa den eskalako diagraman.

Irudikatu bi tenperatura desberdini dagozkien lerro isotermoak, eta adieraz ezazu zein den bietatik tenperatura handienari dagokiona.

(C 2.2.3)






Testuingurua

14. ARIKETA

Lortu ondoko oinarrizko ekuazioko sistemari dagozkion hiru egoera-ekuazioak.

u=(θR)s2(Rθv02)v2

(C 2.2.4)






Testuingurua

15. ARIKETA

Lortu aurreko sistemari dagokion μ potentzial kimikoa; adieraz ezazu emaitza T eta p parametroen funtzioan.

(C 2.2.5)






Testuingurua

16. ARIKETA

Lortu ondoko oinarrizko ekuazioko sistemari dagozkion hiru egoera-ekuazioak.

u=(v0θR)s2vexp(sR)

(C 2.2.6)






Testuingurua

17. ARIKETA

kuasiestatikoa den zabaltze adiabatikoan zehar (dS=0), tenperaturak bolumenarekiko duen mendekotasuna.

(C 2.2.7)






Testuingurua

18. ARIKETA

Lortu, adierazpen entropikoan, ondoko oinarrizko ekuazioko sistemari dagozkion hiru egoera-ekuazioak.

u=(vo12θR32)s52v12

(C 2.3.1)






Testuingurua

19. ARIKETA

Lortu aurreko sistemaren kasuan, eta presioa finkoa den kasuan, tenperaturak bolumenarekiko duen mendekotasuna, hautazkoa den eskalako diagraman.

Irudikatu bi presio desberdini dagozkien lerro isobaroak, eta adierazi zein den bietatik presio handienari dagokiona.

(C 2.3.2)






Testuingurua

20. ARIKETA

Lortu, adierazpen entropikoan, ondoko oinarrizko ekuazioko sistemari dagozkion hiru egoera-ekuazioak:

u=(θR)s2exp(v2v02)

(C 2.3.3)






Testuingurua

21. ARIKETA

Bi osagaiko sistemari dagokion oinarrizko ekuazioa honako hau da,

S=NA+NRln(U32VN52)N1Rln(N1N)N2Rln(N2N)
NN1+N2

Adierazpen horretan R=1.986 cal/mol K da, eta A, finkatu gabeko konstantea.

Lehenengo osagaiarekiko iragazkorra baina bigarrenarekiko ez den mintz diatermoak bi gunetan zatitu du 10 l-ko bolumeneko eta itxita dagoen zilindro zurruna.

  1. Lehenengo gunean ondoko parametroez ezaugarritutako lagina kokatu da: N1(1)=0.5, N2(1)=0.75, V(1)=5 l eta T(1)=300 K.

  2. Bigarrenean, berriz, ondokoen bidez: N1(2)=1, N2(2)=0.5, V(2)=5 l eta T(2)=250 K.

Oreka lortutakoan, zein dira N1(1), N1(2), T, p(1) eta p(2) parametroen balioak?

(C 2.8.1)






Testuingurua

22. ARIKETA

He gasa duen gordailuak 1000 l-ko bolumenekoa da. Gasa 0.5 atm-n eta 20 C-ko tenperaturan dago. Bolumen berdineko bigarren gordailuan dagoen He gasa 1 atm-n eta 80 C-ko tenperaturan dago. Gordailu biak loturik dituen balbula ireki da. Demagun gasa monoatomikoa eta ideala dela, eta gordailuen hormak finkoak eta adiabatikoak.

Lortu sistemari dagozkion amaierako tenperatura eta presioa.

(C 3.4.4)






Testuingurua

23. ARIKETA

Bi sistemari dagozkion egoera-ekuazioak ondokoak dira:

1T(1)=32RN(1)U(1)
1T(2)=52RN(2)U(2)

Adierazpen horietan R=1.986 cal/mol K da balioko konstantea. Lehenengo sistemaren mol-kopurua N(1)=2 da, eta bigarrenarena N(2)=3. Sistema horiek diatermoa den bereizte-hormak banatu ditu. Sistema konposatuaren energia 6000 cal da.

Oreka lortutakoan, zenbatekoa da sistema bakoitzari dagokion barne-energia?

(C 2.6.3)






Testuingurua

24. ARIKETA

Aurreko ariketako azpisistemak, diatermoa den bereizte-hormaren bidez banatuta daude. Mol kopuruen balioak ondokoak dira: N(1)=2 eta N(2)=3. Hasierako tenperaturak T(1)=250 K eta T(2)=350 K dira.

Oreka lortutakoan,

  1. Zein dira U(1) eta U(2) parametroen balioak?

  2. Zein da oreka-tenperatura?

(C 2.6.4)






Testuingurua

25. ARIKETA

Bi sistemari dagozkion egoera-ekuazioak ondokoak dira:

  1. (1T)(1)=32RN(1)U(1)

  2. (pT)(1)=RN(1)V(1)

eta

  1. (1T)(2)=52RN(2)U(2)

  2. (pT)(2)=RN(2)V(2)

Adierazpen horietan R=1.986 cal/mol K da. N(1)=0.5 eta N(2)=0.75 dira. Sistema biak isolaturiko zilindroaren barnean daude, higikorra den pistoi isotermoak banandurik. Hasierako tenperaturak T(1)=200 K eta T(2)=300 K dira, eta bolumen osoa 20 l.

Oreka lortutakoan:

  1. zein dira sistema bakoitzari dagozkion energia eta bolumena?

  2. Zein dira presioa eta tenperatura?

(C 2.7.1)



ttttttt





Testuingurua

ARIKETA Gehigarriak

7.3-1. Thermodynamicists sometimes refer to the “first TdS equation” and the “second TdS equation”;

TdS=NcvdT+(Tα/κT)dV(N constant )TdS=NcPdTTVαdP(N constant )

Derive these equations.


7.3-2. Show that the second equation in the preceding problem leads directly to the relation

T(sT)v=cPTvα(PT)v

and so validates equation 7.36 .


Adiabatic Compression

Consider a single-component system of some definite quantity of matter (characterized by the mole number N ) enclosed within an adiabatic wall. The initial temperature and pressure of the system are known. The system is compressed quasi-statically so that the pressure increases from its initial value P, to some definite final value Pf. We attempt to predict the changes in the various thermodynamic parameters (e.g., in the volume, temperature, internal energy, and chemical potential) of the system.

(C 7.2.1), (C 7.2.2), (C 7.4.1)



ttttttt




Kalkulu termodinamikoa eta zenbait aplikazio#




Testuingurua

26. ARIKETA

Lortu (Tv)h koefizientearen adierazpena, (Cp, α, κT) sortaren funtzioan.

(C 7.4.1)




Modu berean ere, lortu, kalkulu termodinamiko hutsa erabiliz, honako koefiziente hauek:

  1. (HV)T,N

  2. (vs)p

  3. (sf)v

  4. (sf)p

  5. (gf)p)

  6. (sv)h

  7. (C 7.4.6): (hv)u

  8. (C 7.4.17): (μv)s






Testuingurua

27. ARIKETA

Esku artean dugun gas errealaren bi molek 100 K-eko tenperaturan eta 2 MPa-eko presioan litro bateko gordailua bete dute. 10 cm3-ko balioko bolumenera era askean zabal dadila utzi diogu gasari. Lortu entalpia-aldaketa.

Hasierako egoerari dagozkion datuak honako hauek dira:

  1. cp=0,8 J/mol K,

  2. κT=3×106 Pa1

  3. α=0,002 K1






Testuingurua

28. ARIKETA

Frogatu ondoko berdintza beteko dela eta lortu horri dagokion adierazpena van der Waals-en gasaren kasurako:

(cvv)T=T(2pT2)v

(C 7.4.7)






Testuingurua

29. ARIKETA

Frogatu ondoko berdintza beteko dela:

(cpp)T=Tv[α2+(αT)p]

Lortu berdintza horri dagokion adierazpena ondoko egoera-ekuazioa beteko duen sistemaren kasurako:

p(v+AT2)=RT

(C 7.4.8)






Testuingurua

30. ARIKETA

Aurreko ariketako mol bati p0 hasierako presiotik pf bukaerako presiorainoko espantsio isotermoa eragin diogu.

Lortu prozesuan sistemak trukatu duen bero kantitatea.

(C 7.4.9)






Testuingurua

31. ARIKETA

Esku artean dugun sistemaren kasuan ezagunak dira ondoko bi propietate hauek:

CV=AT3
(vv0)p=B(T)

Adierazpen horretan, A konstantea da eta B(T), tenperaturaren funtzio ezezaguna.

  1. Eztabaidatu zer forma har dezakeen B(T) funtzioak.

  2. Lortu (Cp, α, κT) sortakoak, T-ren eta v-ren funtzioan.

(C 7.4.22)






Testuingurua

32. ARIKETA

Van der Waalsen egoera-ekuazioa esleitu zaion 1 mol-eko sistemari v0 hasierako bolumenetik vf bukaerako bolumenerako espantsio isotermoa eragin diogu.

Lortu prozesuan trukaturiko bero kantitatea.

(C 7.4.10)






Testuingurua

33. ARIKETA

Esku artean dugun oxigenoaren bi molak 0 C-ko tenperaturan eta 105 Pa-eko presioan daude. Konpresio adiabatikoaren bidez bukaerako tenperatura 300 C-ko balioraino eraman da.

Lortu bukaerako presioaren balioa ondoko ekuazioa integratuz:

dT=Tvαcpdp

Onartu ondoko bero-ahalmeneko gas ideala dela oxigenoa:

cp=26.20+11.49×103T3.223×106T2

(C 7.4.11)






Testuingurua

34. ARIKETA

Erraztu honako adierazpen hau:

(up)h

(C 7.4.13)






Testuingurua

35. ARIKETA

Zabaltze askearen ondorioz esku artean dugun gasaren tenperatura-aldaketa dT da.

Lortu presio-aldaketa.

(C 7.4.14)






Testuingurua

36. ARIKETA

Esku artean van der Waals-en fluidoaren 1 mol dugu: Ti tenperaturan, eta Vi bolumena betez. Balbula bat irekiz gasa dagoen gordailua hasieran hutsik zegoen beste gordailu batekin konektatu dugu, gasa Vf bolumen osora hedatuz. Gordailuen hormak adiabatikoak dira. Lortu Tf bukaerako tenperatura.

(C 7.4.15)






Testuingurua

37. ARIKETA

Ebatz ezazu aurreko ariketa berbera; baina, kasu honetan, espantsioa adiabatikoa izateaz gain kuasiestatikoa dela onartuz.

(C 7.4.16)






Testuingurua

38. ARIKETA

Bolumenaren %1-eko beheratze adiabatikoak aldaketa jakina eragin du μ potentzial kimikoaren gainean. Zein bolumen-portzentajek izango du eragin berbera beheratze isotermoa bada?

(C 7.4.17)






Testuingurua

39. ARIKETA

Helio gasa erabiliz beteriko zilindroa pistoi batek itxi du. Zilindroaren aldeko horma adiabatikoa, higiezina eta helioarekiko iragaztezina da. Zilindroaren beheko aldea, berriz, isotermoa, higiezina eta helioarekiko iragazkorra da. Horma horren bidez, zilindroa T tenperaturako bero-iturriarekin eta μHe potentzial kimikoko materia-iturriarekin ukipenean dago.

  1. Lortu sistemaren (1VdVdp) konprimigarritasuna.

  2. Frogatu konprimigarritasunak dibergentzia izango duela.

  3. Zein da dibergentzia horren jatorri fisikoa?

(C 7.4.18)






Testuingurua

40. ARIKETA

Aurreko ariketako zilindroa Ne gasa erabiliz bete dugu: 110 mol sartuz. Zilindroaren beheko horma ez da neonarekiko iragazkorra.

Lortu zilindroko presioaren balioa eta sistemaren konprimigarritasuna.

(C 7.4.19)






Ondorengo bi ariketak modu berean abatzi behar dira. Lehenengo eta behin, ebaztean erabiliko diren aldagaiak finkatu behar dira; printzipioz, enuntziatuek berek finkatuko dute: bien kasuan, p/v diagraman gertatuko den prozesua dugu; beraz, aldagai independenteak p eta v dira. Gainera, bietan ere bai, prozesua bera nola gertatuko den ere aipatuta dago: p/v diagramako kurba baten adierazpenaren bidez; hots, aldagaien arteko lotura baten bidez (aldakuntzak ere lotuta daude). Beraz, aldagaietatik bat baino ez da independentea, gure esku dago zein. Horrez gain, ariketa bietan, hasierako zein bukaerako oreka-egoerak ezagunak dira: A eta B etiketen bidez adierazita. Azkenik, A eta B egoerak lotuko dituen kurban zehar ezagunak dira (cp,α,κT) sortako koefiziente esperimentalak; orduan, kalkulu termodinamikoaren bidez lortuko ditugun adierazpenetan ezagunak diren funtzioak ordezkatu ondoren, integrazioz, kalkulatu beharreko parametroen aldakuntzak lortu ahal izango ditugu.

Prozedura laburbilduz:

  1. Identifikatu aldagai independenteak

  2. Identifikatu hasierako eta bukaerako oreka-egoerak

  3. Identifikatu prozesuaren adierazpena: aldagai independenteen arteko lotura Lortu aldagien aldakuntza diferentzialen arteko lotura

  4. Identifikatu kalkulatu beharreko koefizientea Kalkulatu koefizientea: lortu adierazpen orokorra

  5. Ordezkatu adierazpen orokorrean enuntziatuko datuak Integratu



Testuingurua

41. ARIKETA

Esku artean substantzia baten mol bakarra dugu. p/V diagramako A eta B puntuak pv2=konstantea lerroko puntuak dira. Aipatutako lerroan zehar ezagunak dira sistemaren ondoko ezaugarriak: Cp=Cv2, α=Dv eta κT=Ev. C, D eta E konstanteak dira.

Lortu TB tenperatura (TA, pA, vA, vB, C, D, E) sortaren funtzioan.

(C 7.4.20)






Testuingurua

42. ARIKETA

Esku artean substantzia baten mol bakarra dugu. p/V diagramako A eta B puntuak pv=konstantea lerroko puntuak dira. Aipatu lerroan zehar ezagunak dira sistemaren ondoko ezaugarriak: Cp=Cv, α=Dv2 eta κT=Ev. C, D eta E konstanteak dira.

Lortu (uAuB) kendura (TA, pA, vA, vB, C, D, E) sortaren funtzioan.

(C 7.4.21)






Testuingurua

43. ARIKETA

Esku artean dugun sistemaren kasuan, p/v diagramako lerro zuzenean zeharreko espantsioak (p0, v0) eta (pf, vf) egoerak lotu ditu. (cp, α, κT) sortako parametroak v=v0 lerro isokoroan zehar eta p=pf lerro isobaroan zehar soilik ezagunak dira; cvκTα=Ap (v=v0), cpvα=Bv (p=pf).

Lortu prozesuan trukaturiko beroa.

(C 7.4.23)






Testuingurua

44. ARIKETA

Aztertuko dugun sistema alboko irudian ageri da; 1 eta 2 zilindroek osatu dute. Irudian ikus daitekeenez, lehenengoa bigarrenaren barnean higi daiteke. Bien artean ez dago marruskadurarik. Marrazturiko hormak adiabatikoak dira eta besteak, aldiz, diatermoak. Hasiera batean sistema osoa oreka-egoeran dago. 1 zilindroa T tenperaturako eta p presioko iturriarekin ukipenean jarri dugu. Efizientzia maximoko punpa dugu, zeinak eskura dugun iturritik beroa ateraz, 1 zilindrotik ateratako bero osoa 2 zilindroari emango dion. Prozesu horrek iturriarekiko oreka lortu arte iraungo du.

Lortu:

  1. zilindroen bukaerako tenperaturak eta 2 zilindroaren bukaerako bolumena,

  2. bi sistemetako entropia-aldaketak,

  3. punpak egindako lana eta

  4. inguruneari dagokion entropia-aldaketa.

  5. Eztabaidatu kualitatiboki zenbatekoa izango den sistema osoaren entropia-aldaketa.






Testuingurua

45. ARIKETA

Aztertu beharreko sistema honako hau da: V bolumeneko tangan dauden, T0 K tenperaturan, s=12 spineko partikulak (esaterako, metaletako tenperatura txikietako elektroiz osatutako gas ideala).

Sistemari dagokion oinarrizko ekuazioa honako hau da:

U=35AN53V23[1+53(SπNR)2]

A da konstante positiboa.

Lortu honako hauek:

  1. F potentzial termodinamikoa

  2. p presioa, (S,V) eta (T,V) aldagai-sorten funtzioan

  3. CV bolumen konstanteko bero-ahalmena






Testuingurua

46. ARIKETA

Aztertu beharreko sistemari dagokion oinarrizko ekuazioa honako hau da:

F=AN23V13T2

A konstante positiboa da.

Sistemaren bolumena zortzi aldiz handitu dion zabaltze adiabatiko itzulgarriaren ondorioz, zenbatekoa da tenperatura-aldaketa?






Testuingurua

47. ARIKETA

Erraztu honako adierazpen hau:

(Tp)H

Koefiziente horri Joule-ren eta Kelvin-en koefiziente deritzo, μJK.






Testuingurua

48. ARIKETA

Aztertu beharreko sistemari dagozkion bi egoerak, p/v planokoak haiek, honako hauek dira:

  1. pA=105 Pa., vA=2×102 m3mol, TA=350.9 K

  2. pB=104 Pa., vB=101 m3mol

A egoeratik B egoerara eramndakoan sistema, zenbatekoa da lor daitekeen lan maximoa? Prozesua aurrera eramateko, erabilgarria da 150 Ketan dagoen bero-iturria.

Ezagunak dira baita ere honako datua hauek:

  1. lerro adiabatiko itzulgarrien adierazpena: pv2=k

  2. presio konstantean, p=pA: cp=Dv23

  3. presio konstantean, p=pA: α=3T

  4. D=1038 Jm2K