3.4 Toestandsveranderingen
Blok 1: Definitie van toestandsverandering
Definitie
Een toestandsverandering is een fysisch proces waarbij ten minste één van de volgende toestandsgrootheden van een systeem verandert: druk (p), volume (V), het aantal deeltjes (n), of temperatuur (T). Deze grootheden worden respectievelijk weergegeven als p (druk, uitgedrukt in pascal), V (volume, uitgedrukt in liter of kubieke meter), n (aantal deeltjes, vaak in mol) en T (temperatuur, uitgedrukt in kelvin).
Belangrijke concepten
De toestand van een systeem in de thermodynamica wordt volledig bepaald door de vier genoemde toestandsgrootheden: druk, volume, aantal deeltjes en temperatuur.
Een toestandsverandering kan betrekking hebben op het gelijktijdig wijzigen van meerdere grootheden, bijvoorbeeld een volumeverandering als gevolg van opwarming, waardoor de temperatuur en het volume veranderen terwijl de druk eventueel constant blijft.
Alleen processen waarbij minstens één van deze grootheden (p, V, n, T) wijzigt, worden als een toestandsverandering beschouwd; een volledig evenwichtig systeem zonder verandering in p, V, n of T ondergaat geen toestandsverandering.
De notatie met kleine letters (p, V, n, T) is de conventie voor deze toestandsgrootheden in alle relevante formules en grafische voorstellingen binnen dit hoofdstuk.
Formules en berekeningen
Er horen geen uitgeschreven formules bij deze initiële definitie van toestandsverandering. In de volgende blokken van deze les zullen de relevante vergelijkingen waarbij toestandsveranderingen optreden (zoals de algemene gaswet en gerelateerde relaties) aan bod komen. In deze definitie is het belangrijk enkel de vier fundamentele grootheden met hun gebruikelijke symbolen te benoemen: p, V, n, T.
Praktijkvoorbeelden
Deze sectie vereist geen praktijkvoorbeelden, want volgens de les aan bod mag hier de definitie alleen uiterst kort en direct worden geformuleerd.
Veel gemaakte fouten
Studenten verwarren soms een toestandsverandering met een stofverandering, terwijl een toestandsverandering uitsluitend betrekking heeft op wijzigingen in druk, volume, aantal deeltjes en temperatuur, niet op chemische samenstelling of fasetoestand zonder wijziging in een van deze grootheden.
Het negeren van het aantal deeltjes (n) als toestandsparameter in situaties zoals gasuitwisseling, bijvoorbeeld het vergeten dat bij openen van een vat het aantal mol gas kan wijzigen, wat een toestandsverandering betekent, ongeacht of p, V of T op dat moment veranderen.
Incorrect gebruik van de toestandsvariabelen, bijvoorbeeld p als kracht of n als concentratie duiden, wat niet correct is binnen deze context; enkel de correcte fysische grootheid en bijbehorende eenheid hoort bij de betreffende parameter.
Samenvatting
Een toestandsverandering is een wijziging van minimaal één van de vier fundamentele thermodynamische grootheden van een systeem: druk (p), volume (V), aantal deeltjes (n), of temperatuur (T). De juiste notatie en het correct onderscheiden van deze grootheden vormen de basis voor het analyseren van alle verdere processen binnen de thermodynamica.
Oefenvragen
Vraag 1 Beschrijf voor elk van de volgende situaties welke toestandsparameter(s) verandert/ veranderen en leg uit waarom: a) Een gas wordt verwarmd in een afgesloten, star vat. b) Een ballon wordt in volume verdubbeld terwijl de temperatuur gelijk blijft. c) Een zuiger drukt een hoeveelheid gas samen bij constant aantal deeltjes en constante temperatuur. d) Een kelder wordt gevuld met argongas zonder dat de temperatuur of druk merkbaar verandert.
Antwoorden a) Enkel de temperatuur (T) verandert, want het vat is afgesloten (n en V constant), druk kan wijzigen tenzij het vat volledig star is en de gaswet wordt gevolgd. b) Volume (V) verandert, terwijl bij constante temperatuur (T) en gesloten systeem (n constant), de druk (p) zal dalen om te compenseren volgens de gaswet. c) Volume (V) daalt, druk (p) stijgt – bij constant n en T (‘isotherm’). d) Aantal deeltjes (n) neemt toe (door toevoer van argon), V is het keldervolume, T en p blijven benaderend constant.