熱力学的変数又は状態変数は、熱力学系、最も身近な圧力、体積、温度及び質量を特徴付けるもの巨視的な量です。それらは、複数の入力と出力を持つシステムを記述するのに非常に役立ちます。すでに述べたものを除いて、等しく重要な状態変数が多数あります。行われる選択はシステムとその複雑さに依存します。
乗客でいっぱいの飛行機や車はシステムと見なすことができ、それらの変数には、質量と温度に加えて、燃料の量、地理的な位置、速度、加速度などが含まれます。
図1.飛行機は熱力学システムとして研究できます。出典：Pixabay。
非常に多くの変数を定義できる場合、変数はいつ状態と見なされますか？変数がその値を取得するプロセスが重要ではないものは、そのように考慮されます。
一方、変換の性質が変数の最終的な値に影響を与える場合、それはもはや状態変数とは見なされません。これらの重要な例は仕事と熱です。
状態変数の知識により、所定の時間t oにおけるシステムを物理的に説明できます。経験のおかげで、時間の経過に伴うそれらの進化を記述し、時間t> t oでの状態を予測する数学モデルが作成されます。
集中的で広範囲にわたる特定の変数
熱力学で頻繁に研究されるシステムであるガスの場合、質量はあらゆるシステムの主要な状態および基本変数の1つです。それはそれが含む物質の量に関係しています。国際システムでは、kgで測定されます。
質量はシステムで非常に重要であり、熱力学的特性は、それに依存するかどうかによって分類されます。
-集中的：それらは、例えば温度、圧力、粘度などの質量とサイズに依存せず、一般に、あるシステムを別のシステムから区別するものです。
-広範囲：重量、長さ、体積など、システムのサイズとその質量によって異なるもの。
-特定：質量の単位あたりの広範な特性を表現することによって得られるもの。その中には比重と比容積があります。
変数のタイプを区別するには、システムを2つの等しい部分に分割することを想像してください。大きさがそれぞれ同じである場合、それは集中的な変数です。そうでない場合、その値は半分にカットされます。
-圧力、体積、温度
ボリューム
システムが占めるスペースです。国際システムの体積の単位は立方メートル：m 3です。その他の広く使用されている単位には、立方インチ、立方フィート、およびリットルが含まれます。
圧力
これは、物体に加えられた力の垂直成分とその面積の間の商によって与えられるスカラーの大きさです。国際システムにおける圧力の単位は、ニュートン/ m 2またはパスカル（Pa）です。
パスカルに加えて、圧力は地域に応じて使用される多数の単位を持っています。これらには、psi、大気（atm）、バー、および水銀柱（mmHg）が含まれます。
温度
微視的レベルでの解釈では、温度は調査中のガスを構成する分子の運動エネルギーの尺度です。また、巨視的なレベルでは、2つのシステムを接触させたときの熱流の方向を示します。
国際システムの温度単位はケルビン（K）で、摂氏（ºC）と華氏（ºF）の目盛りもあります。
解決された演習
このセクションでは、システムが特定の状況にあるときに、方程式を使用して変数の値を取得します。状態方程式についてです。
状態方程式は、状態変数を利用し、システムの動作をモデル化する数学モデルです。研究対象として理想的なガスが提案されています。理想的なガスは、相互に作用することなく自由に移動できる一連の分子で構成されています。
提案された理想気体の状態方程式は次のとおりです。
ここで、Pは圧力、Vは体積、Nは分子数、kはボルツマン定数です。
-演習1
温度が–5.00°Cの場所で、車のタイヤをメーカーの推奨圧力である3.21×10 5 Pa まで膨らませましたが、今度は28°Cのビーチに行きたいと考えています。温度の上昇に伴い、タイヤの体積は3％増加しました。
図2.温度が-5ºCから28ºCに上昇すると、タイヤ内の空気が膨張し、損失がない場合。圧力が増加します。出典：Pixabay。
タイヤの最終的な空気圧を見つけ、それが製造元から与えられた許容値を超えていないかどうかを示します。これは、推奨空気圧の10％を超えてはなりません。
解決
理想的なガスモデルが利用できるので、タイヤ内の空気は与えられた方程式に従うと仮定されます。また、タイヤに空気漏れがないと仮定しているため、モル数は一定です。
最終的なボリュームが3％増加した状態が含まれます。
既知のデータが置き換えられ、最終圧力がクリアされます。重要：温度はケルビンで表す必要があります：T（K）= T（°C）+ 273.15
製造業者は許容誤差が10％であることを示しているため、圧力の最大値は次のとおりです。
設定した圧力制限を超えていないので、少なくともタイヤに関する限り、安全にビーチに移動できます。
演習2
理想的なガスは、27°Cの温度で2リットルの圧力で30リットルの容量を持ちます。圧力を一定に保ち、温度が-13 passesCに達したときにその体積を求めます。
解決
定圧プロセス（等圧プロセス）です。このような場合、理想気体の状態方程式は次のように単純化されます。
この結果はチャールズの法則として知られています。利用可能なデータは次のとおりです。
解決と置換：
参考文献
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