En termodinàmica, lestudi de les propietats dun sistema permet comprendre com interactuen lenergia, el treball i la calor dins daquest sistema.
Una propietat termodinàmica és qualsevol característica d'un sistema que es pot mesurar o calcular i que en descriu l'estat. Les propietats permeten comprendre com un sistema pot experimentar canvis denergia, treball i calor durant un procés. Aquestes propietats es divideixen en dos tipus principals: propietats intensives , que no depenen de la quantitat de matèria, i propietats extensives , que sí depenen de la quantitat de matèria en el sistema.
Propietats termodinàmiques intensives
Les propietats intensives són aquelles que no depenen de la quantitat de matèria present al sistema. Això vol dir que, si es divideix un sistema en parts més petites, el valor d'una propietat intensiva continua sent el mateix a cada part. Les propietats intensives descriuen la naturalesa intrínseca duna substància o un sistema, sense tenir en compte la mida o la quantitat de material.
Un exemple clàssic per il·lustrar això és la temperatura . Si tens un litre d'aigua a 25 ºC i el divideixes en dos recipients de mig litre, la temperatura continuarà sent 25 ºC als dos recipients. De manera similar, altres propietats intensives, com la pressió, la densitat i el volum específic, no es veuen afectades per la mida del sistema.
Exemples de propietats intensives
- Densitat La densitat és la relació entre la massa d'una substància i el volum que ocupa. La seva fórmula és:
Densitat=Massa / Volum
Tant se val si es tracta d'una petita mostra o d'un gran volum de substància, la densitat roman constant, sempre que la temperatura i la pressió no canviïn. - Volum específic : El volum específic és el volum que ocupa una unitat de massa d'una substància. És l'invers de la densitat:
Volum especíic=1 / Densitat
És una altra propietat intensiva, ja que no depèn de la quantitat total de substància present, sinó de com es distribueix el volum en relació amb la massa. - Pressió La pressió és la força que un sistema exerceix per unitat d'àrea sobre els seus límits. Per exemple, en un gas confinat, la pressió no canvia en dividir el volum, sempre que les condicions de temperatura i quantitat de gas no s'alterin.
- Temperatura : La temperatura és una mesura de l'estat tèrmic d'una substància i està relacionada amb l'energia cinètica mitjana de les partícules al sistema. És una propietat intensiva perquè el seu valor és independent de la mida o de la quantitat de substància.
- Composició : La composició química d'una substància, com la concentració o la proporció de components en una barreja, és una altra propietat intensiva. Per exemple, la salinitat d'una solució salina continua sent la mateixa sense importar quanta quantitat de solució hi hagi.
Importància de les propietats intensives
Les propietats intensives juguen un paper crucial en la identificació i caracterització de materials i sistemes, ja que són independents de la mida o de la quantitat de matèria.
Això és especialment útil en processos industrials i científics, on es pot analitzar una petita mostra de material per obtenir informació aplicable a una quantitat més gran.
Propietats termodinàmiques extensives
Les propietats extensives , per contra, depenen directament de la quantitat de matèria present al sistema.
Si un sistema es divideix en dues parts, també es divideix el valor d'una propietat extensiva entre aquestes dues parts. Per exemple, el volum d'un sistema és una propietat extensiva: si tens un volum de 1 m³ i el divideixes en dues parts iguals, cada part tindrà un volum de 0,5 m³.
Les propietats extensives se sumen en un sistema compost per subsistemes. Per exemple, si teniu dos subsistemes amb masses diferents, la massa total del sistema serà la suma de les masses dels subsistemes.
Exemples de propietats extensives
- Massa La massa és una mesura de la quantitat de matèria en un sistema. Clarament, depèn de la mida del sistema. Si divideixes un sistema en parts, la massa de cada part serà proporcional a la mida de la part.
- Volum : El volum és l'espai que ocupa una substància. Com la massa, és una propietat extensiva perquè el volum d'un sistema és la suma del volum de totes les parts.
- Energia Interna : L'energia interna és la suma de totes les energies microscòpiques en un sistema, incloses les energies cinètiques i potencials de les molècules que el componen. És una propietat extensiva, ja que depèn de la quantitat total de matèria al sistema.
- Entalpia L'entalpia és una mesura de l'energia total d'un sistema, incloent-hi l'energia interna i l'energia necessària per desplaçar el seu entorn a pressió constant. És extensiva perquè depèn de la quantitat de matèria al sistema.
- Entropia L'entropia és una mesura del desordre o la quantitat d'energia que no es pot convertir en feina en un sistema. És una propietat extensiva perquè, com més quantitat de matèria, més gran és el desordre i l'entropia total del sistema.
Relació entre propietats extensives i intensives
Una propietat extensiva es pot convertir en una propietat intensiva quan sexpressa en termes duna unitat de massa, de volum o de mols. Per exemple:
- Densitat : S'obté en dividir la massa (extensiva) pel volum (extensiva), cosa que dóna com a resultat una propietat intensiva.
- Volum específic : S'obté en dividir el volum (extensiva) per la massa (extensiva), cosa que genera una propietat intensiva.
Aquest tipus de transformació és útil per normalitzar propietats i fer comparacions entre sistemes de diferents mides.
Relació entre propietats i equacions d'estat
Les relacions entre les propietats termodinàmiques d'un sistema estan determinades per les equacions d'estat .
Una equació d'estat és una relació matemàtica que connecta diverses propietats intensives i extensives d'un sistema i permet predir el comportament del sistema sota condicions diferents.
L'equació d'estat més coneguda és l' equació dels gasos ideals , que relaciona la pressió (P), el volum (V) i la temperatura (T) d'un gas ideal amb la quantitat de substància (n) mitjançant la constant de els gasos ideals (R):
P·V=n·R·T
En sistemes més complexos, com els líquids i els sòlids, calen equacions d'estat més elaborades per relacionar les propietats termodinàmiques.
Variables termodinàmiques
Les variables termodinàmiques són magnituds físiques que descriuen l‟estat d‟un sistema en equilibri.
Com les propietats, les variables termodinàmiques poden ser intensives o extensives. A més, també s'anomenen funcions d'estat , ja que depenen únicament de l'estat actual del sistema i no de com es va assolir aquest estat.
Funcions d'estat
Les funcions d'estat són aquelles magnituds el valor de les quals depèn exclusivament de l'estat actual del sistema, sense importar el camí seguit per arribar a aquest estat. Això vol dir que no importa com s'hagi arribat a una certa temperatura o pressió, l'important és el valor final de la variable, no passos intermedis.
Exemples de funcions d'estat inclouen energia interna, entalpia i entropia. Aquestes funcions són essencials per fer anàlisis energètiques i d'eficiència en sistemes termodinàmics.