230

9. NOŢIUNI DE TERMODINAMICĂ

9

231

CUPRINS

Nr. crt.

TEMA Pagina

1. Obiective 232 2. Organizarea sarcinilor de lucru 232 3. Topicul 1

Sisteme, mărimi şi procese termodinamice. Temperatura, energia internă, căldura

233

4. Exemplu ilustrativ 1 240 5. Topicul 2

Procese izotrope ale gazului ideal 251

6. Exemplu ilustrativ 2 254 7. Topicul 3

Procese ciclice. Ciclul Carnot 256

8. Exemplu ilustrativ 3 258 9. TEST DE AUTOEVALUARE 263 10. REZUMAT 265 11. Rezultate aşteptate 267 12. Termeni esenţiali 267 13. Recomandări bibliografice suplimentare 268 14. TEST DE EVALUARE 269

232

OBIECTIVE

Organizarea sarcinilor de lucru Parcurgeţi cele trei topice ale cursului. La fiecare topic urmăriţi exemplele ilustrative. Fixaţi principalele idei ale cursului, prezentate în rezumat. Completaţi testul de autoevaluare. Timpul de lucru pentru parcurgerea testului de evaluare

este de 15 minute.

Obiectivele acestui curs sunt: Să înţeleagă conceptul de termodinamică ca parte a fizicii. Să definească mărimile şi procesele termodinamice. Să-şi însuşească principiile termodinamicii. Să înţeleagă noţiunea de procese izotrope ale gazului ideal. Să cunoască procesele ciclice. Să-şi însuşească randamentul maşinilor termice mişcării.

233

Sisteme, mărimi şi procese termodinamice

Deci, putem spune că termodinamica se ocupă de studiul aceloraşi fenomene ca şi teoria cinetico-moleculară dar nu din punctual de vedere al mecanismelor, ci al schimburilor de energie, care au loc în decursul acestor fenomene. La baza deducerilor termodinamice stau cele mai generale legi ale naturii, denumite principii. Aceste principii reprezintă o generalizare a rezultatelor activităţii umane [6,26]. Obiectul de studiu al termodinamicii îl constituie sistemele.

Sistemul termodinamic este un sistem fizic compus dintr-un număr mare, dar finit de componenţi de exemplu molecule şi atomi care se găsesc

Definiţie: Un corp (sau un ansamblu de corpuri) de dimensiuni macroscopice, cu volum determinat reprezintă un sistem termodinamic.

Definiţie: Termodinamica este acea parte a fizicii care studiază mişcarea termică a materiei în particular procesele de schimb de căldură dintre obiectul studiat şi mediul înconjurător fără a apela însă la reprezentarea moleculară.

TOPICUL 1

Sisteme, mărimi şi procese termodinamice. Temperatura,

energia internă, căldura

234

într-o continuă mişcare. Spaţiul ocupat de sistem poate fi delimitat fie de o graniţă (sau frontieră) materială (reală) cu pereţi rigizi sau elastici, fie de o graniţă imaginară. Această delimitare a spaţiului se face astfel încât sistemul termodinamic să se comporte ca un tot unitar iar interacţiunile interioare să se poată deosebi de cele exterioare [4]. Clasificarea sistemelor termodinamice: Izolate: nu schimbă cu exteriorul nici energie şi nici materie. Închise: poate schimba cu exteriorul energie dar nu schimbă materie. Deschise: schimbă cu exteriorul atât energie cât şi materie. Un sistem termodinamic se poate caracteriza prin definirea stării sistemului termodinamic.

Pentru a caracteriza în mod univoc starea sistemului termodinamic trebuie stabilit acest număr minim de mărimi fizice ce poartă numele de parametrii de stare.

Definiţie: Orice schimbare a stării sistemului termodinamic se numeşte transformare de stare sau proces de stare.

Definiţie: Starea unui sistem termodinamic este statică sau de echilibru dacă parametrii sistemului nu variază în timp.

Definiţie: Parametrii de stare ai unui sistem termodinamic exprimă proprietăţi mecanice, termice, electrice, magnetice, chimice etc. ale sistemului studiat.

Definiţie: Prin starea unui sistem termodinamic înţelegem totalitatea proprietăţilor lui fizice la un moment în situaţia de echilibru şi este determinată de numărul parametrilor macroscopici independenţi.

235

Fig. 9.1 Sisteme termodinamice cu volum fix sau frontieră

Fig. 9.2 Transformare ciclică

Definiţie: O transformare se numeşte ciclică dacă starea finală coincide cu starea iniţială.

Definiţie: O transformare se numeşte reversibilă dacă sistemul revine la starea iniţială exact prin aceleaşi stări ca şi la transformarea directă.

Definiţie: O transformare se numeşte cvasistatică dacă sistemul termodinamic evoluează dintr-o stare de echilibru în altă stare de echilibru prin stări intermediare de echilibru, astfel că parametrii termodinamici evoluează foarte lent în timp.

236

Proprietăţile termodinamice Se pot măsura direct (presiune p, volumul V, temperatura T, numărul de kilomoli, v); Sunt determinate indirect (energia internă U, entropia S);

Proprietăţile termodinamice pot fi

Extensive (depind de dimensiunea sistemului): volumul V, energia internă U, entropia S.

Intensive (nu depind de dimensiunea sistemului): presiunea p, temperatura T.

Mărimile termodinamice pot fi:

De stare: presiune p, volumul V, energia internă U, entropia S. De proces: căldura Q, lucrul mecanic L.

Temperatura

Conceptul de temperatură are la baza ideea de măsurare relativă a încălzirii sau răcirii unui corp legată de observaţia experimentală că dacă acesta primeşte o cantitate de căldură atunci temperatura acestuia creşte [20]. Câteva dintre cele mai cunoscute, şi cel mai des folosite scări de temperatură sunt: Celsius, Kelvin, Fahrenheit şi Rankine. Transformările dintre ele sunt date de relaţiile:

Definiţie: Temperatura este acea proprietate a sistemului termodinamic care determină dacă acesta este în echilibru termodinamic sau nu.

CONCLUZIE

237

Fig. 9.3 Transferul de căldură poate duce la creşterea

temperaturii unui sistem termodinamic.

15.27315.273 KCCK (9.1)

32100180

180100

)32( CFFC (9.2)

Energia internă Particulele componente ale corpurilor execută o mişcare continuă şi deci posedă o anumită cantitate de energie cinetică dar în acelaşi timp interacţionează şi între ele şi o anumită cantitate de energie potenţială.

EpEcU (9.3) Moleculele sau atomi se pot găsi în diferite microstări energetice, iar energia medie a unei microstări se poate scrie ca:

Definiţie: Suma tuturor energiilor cinetice (de oscilaţie, rotaţie sau translaţie) datorate mişcărilor dezordonate ale particulelor constituente ale unui sistem termodinamic şi ale energiilor potenţiale de interacţiune reprezintă energia internă, U.

238

,...1111 nnPPP (9.4) unde Pi reprezintă probabilitatea ca molecula să posede energia εi. Dacă sistemul are N molecule atunci energia internă va fi dată de:

NU (9.5)

Căldura

Cantitatea de căldură primită (sau cedată) de un corp poate fi folosită pentru:

Fig. 9.4 Pompa de căldură

Ridicarea sau coborârea temperaturii corpului – căldura sensibilă; Trecerea corpului dintr-o stare de agregare în alta – căldura latentă; Efectuarea unui lucru mecanic de către corp;

Definiţie: Procesul de variaţie al energiei interne, care are loc fără a se efectua un lucru mecanic se numeşte schimb de căldură.

Definiţie: Energia cedată sau primită de un corp care duce la variaţia energiei sale interne se numeşte cantitate de căldură sau simplu căldură.

239

Căldura specifică

)( 12 TTmQ

TmQ

c s

(9.6)

astfel căldura schimbată de un corp cu mediul înconjurător este:

TcmQ s (9.7) Căldura specifică depinde de felul procesului: cv – căldura specifică la volum constant; cp – căldura specifică la presiune constantă;

Căldura latentă

mQ

(9.8) de unde cantitatea de căldură este:

mQ (9.9) Unitatea de măsură este:

kgJ /][ (9.10)

CONCLUZIE: Termodinamica este acea parte a fizicii care studiază mişcarea termică a materiei în particular procesele de schimb de căldură dintre obiectul studiat şi mediul înconjurător fără a apela însă la reprezentarea moleculară.

Definiţie: Cantitatea de căldură ce revine unităţii de masă a undei substanţe pentru a trece dintr-o stare în altă stare la temperatură constantă, se numeşte căldură latentă.

Definiţie: Cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o unitate de masă dintr-o substanţă astfel încât temperatura ei să varieze cu 1 K (1ºC) se numeşte căldura specifică.

240

A. Principiul zero al termodinamicii şi echilibrul

termic Un sistem în echilibru termodinamic îşi poate modifica stare prin interacţiune cu mediul înconjurător [9].Interacţiunile pot fi: mecanice (comprimarea unui gaz), electrice (polarizarea unui dielectric), magnetice (magnetizarea unei substanţe), schimb de substanţă (prin modificarea numărului de kilomoli).

Fig. 9.5 Sistemele termodinamice, A, B şi C, aflate în contact, termic sunt

caracterizate de aceeaşi temperatură

Astfel dacă avem două sisteme termodinamice A şi B puse în contact termic şi dacă un al treilea sistem termodinamic C este şi el pus în contact termic şi ajunge la echilibru termodinamic cu A şi separat cu B atunci înseamnă că şi sistemele termodinamice A şi B sunt în echilibru termodinamic.

Postulat: Un sistem izolat ajunge întotdeauna după un interval de timp în starea de echilibru termodinamic şi nu poate ieşi niciodată de la sine din această stare.

EXEMPLU ILUSTRATIV 1:

241

Exemple de vase Dewal şi sisteme termoizolante tip termos pentru procese adiabatice:

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_70582a22.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m6521d5b7.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_21d6297.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m6471e74d.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_7fbc7c5c.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m674f4cd6.jpg

Enunţul principiului zero al termodinamicii: Într-un sistem izolat, format din n corpuri aflate în contact termic, condiţia necesară şi suficientă de echilibru termodinamic este ca toate cele n corpuri să aibă aceeaşi temperatură.

242

B. Ecuaţiile de stare pentru gazul ideal Ipotezele care ne permit să considerăm un gaz ca fiind un gaz ideal sunt: Moleculele gazului sunt sferice; Dimensiunile sunt neglijabil de mici în raport cu distanţa dintre ele; Ciocnirea dintre ele este elastică şi într-un timp infinit scurt; Cu excepţia ciocnirilor nu interacţionează între ele; Pentru un astfel de ansamblu de molecule care se găsesc în continuă mişcare dezordonată se poate stabili experimental următoarea ecuaţie de stare care leagă parametrii de stare între ei:

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_2ec9b729.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m37a5ed7a.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m47020319.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_2829815.jpg

243

RTpV (9.11) unde V este volumul gazului, p – presiunea acestuia, T – temperatura, R – constanta universală a gazelor şi v – numărul de kilomoli:

m (9.12)

unde µ este masa molară. Valoarea constantei universale a gazelor este dată de:

KkmolJ

R

8316 (9.13) Pentru un amestec de gaze ecuaţia de stare are aceeaşi expresie.

Legea lui Dalton

n

iin pppppp

1321 ... (9.14)

Numărul de kilomoli al unui amestec este suma numărului de kilomoli al fiecărui component:

n

iin

1321 ...

(9.15)

Fracţia molară a componentelor se poate defini ca:

Definiţie: Presiunea exercitată de mai multe gaze ideale care ocupă acelaşi volum este suma presiunilor parţiale.

Definiţie: Presiunea pe care ar exercita-o un gaz perfect care ar ocupa singur tot volumul gazului în care se află se numeşte presiune parţială.

CONCLUZIE

244

n

ii

iiX

1

(9.16)

astfel încât:

lXn

ii

1 (9.17)

Dacă µi este masa molară a fiecărui component al amestecului atunci masa molară a amestecului este:

i

n

ii x

1

(9.18)

Ecuaţia de stare pentru un amestec de gaze ideale se scrie:

RTm

RTpV

(9.19)

C. Ecuaţiile de stare pentru gazul real

Un gaz real care se abate de la comportarea descrisă de legile gazului ideal este justificată de ipotezele simplificatoare impuse în definirea gazului ideal. Pentru un gaz real nu mai putem neglija volumul propriu al moleculelor şi nici forţele de interacţiune dintre ele [9]. Johannes van der Waals în 1873 a propus o ecuaţie de stare pentru gazul real pe baza dovezilor experimentale corelate cu argumente termodinamice riguroase. Moleculele gazului sunt comparate cu nişte sfere mici şi rigide care au fiecare un volum molar Vµ = b. Volumul total ocupat de molecule este:

bVVt (9.20) iar volumul în care sunt libere moleculele să se mişte este mai mic cu Vt:

bVVV t (9.21) în acest caz legea generală devine:

RTbVp )( (9.22)

245

În modelul gazului ideal propus de van der Waals se consideră că forţele atractive dintre molecule micşorează frecvenţa şi intensitatea ciocnirii moleculelor cu pereţii vasului astfel că presiunea asupra acestora se micşorează cu o cantitate:

2

Vap

(9.23)

Rezultatul celor două efecte combinate este ecuaţia de stare a gazului real propusă de van der Waals:

RTbVV

ap

)(

2

(9.24)

unde V – reprezintă numărul de kilomoli, iar a şi b sunt două constante specifice fiecărui gaz.

D. Legea I a termodinamicii

Lucrul mecanic al forţelor de presiune Considerăm un fluid într-un cilindru cu piston acţionează cu o presiune p asupra pereţilor cilindrului. Asupra pistonului acţionează forţa:

SpF (9.25)

Fig. 9.6 Prin destindere, un fluid acţionează cu o forţă asupra pistonului, datorată presiunii moleculelor

Lucrul mecanic efectuat la deplasarea pistonului este:

dVpL

dVpdlSpdlFL

(9.26)

246

Energia internă

Din teoria cinetico-moleculară se obţine presiunea gazului ca fiind:

Wnp

32

(9.27) unde n este numărul de molecule din unitatea volum:

V

Nn A (9.28)

astfel presiunea devine:

WV

Np A

32

(9.29) de unde produsul presiune volum devine:

RTWNpV A

23

(9.30) iar energia cinetică medie de translaţie pentru o moleculă de gaz este:

TkTNR

W BA 2

323

(9.31)

unde kB este constanta lui Boltzmann. În mişcarea de translaţie o moleculă are 3 grade de libertate. Fiecărui grad de libertate îi corespunde o energie Dacă avem un gaz cu i grade de libertate atunci energia devine:

TkW a2

1

(9.32)

iar energia internă pentru v moli de gaz ideal:

vRTi

TkvNi

TNki

U BAB 222 (9.33)

247

Principiul I al termodinamicii

LUQ (9.34) Primul principiu al termodinamicii reprezintă o lege generală de conservare a energiei aplicată în procesele termice. Energia termică primită de un corp se transformă integral în alte forme de energie (internă şi lucru mecanic) şi invers. Din primul principiu al termodinamicii rezultă imposibilitatea de a construii un perpetuum mobile de speţa I-a care ne spune că lucrul mecanic efectuat într-un proces termic nu poate fi mai mare decât cantitatea de căldură primită. Dacă considerăm numai o variaţie infinitezimală a stării sistemului atunci primul principiu al termodinamicii se scrie:

LdUQ (9.35)

unde s-au notat variaţiile infinitezimale δ (δQ şi δL) acele variaţii care depind de drumul parcurs (natura procesului termodinamic) iar cu d s-au notat variaţiile infinitezimale care nu depind de drum.

E. Entropia şi legea a II-a a termodinamicii

Entropia

TQ

dS

(9.36) Entropia este o funcţie de stare. Variaţia entropiei într-o transformare reversibilă este dată de:

Definiţie: Cantitatea de căldură schimbată de un sistem la temperatură constantă se numeşte entropie:

Enunţul: Cantitatea de căldură primită de un corp duce la variaţia energiei interne a corpului şi la efectuarea de către corp a unui lucru mecanic asupra mediului exterior.

248

if

f

i

Sf

Si

SSTQ

dS

(9.37)

Într-o transformare ciclică reversibilă variaţia entropiei este zero, ΔS = 0 deci entropia este constantă. În schimb pentru o transformare generală avem relaţia:

0S (9.38) ceea ce înseamnă că:

Enunţuri echivalente legate de maşini termice: 1). Nu se poate realiza o maşină termică care să funcţioneze cu căldura primită de la o singură sursă fără a ceda nimic către exterior. Ceea ce ar însemna construirea unui perpetuum mobile de speţa a II-a. 2). Nu este posibil un proces al cărui unic rezultat să fie absorbţia de

energie de la un rezervor şi transformarea acestuia completă în lucru mecanic.

Fig. 9.7 Principiul de funcţionare a oricărei maşini termice. Principiul al II-lea apreciază sensul proceselor spontane (naturale), acestea fiind întotdeauna însoţite de o disipare de energie spre o formă mai

sursa caldă

sursa rece

Enunţul principiului al II-lea al termodinamicii: Transferul de căldură se face întotdeauna de la corpul cu temperatură mai ridicată la corpul cu temperatură mai coborâtă.

249

dezordonată. Procesele naturale care sunt ireversibile generează întotdeauna entropie, în timp ce procesele reversibile nu generează entropie [39].

F. Legea a III-a a termodinamicii

Consecinţă: Nu se poate atinge temperatura de zero absolut. Se poate arăta că există o mare asemănare între entropie şi probabilitate, ambele cresc odată cu evoluţia spontană a sistemului de particule, iar în starea de echilibru ating valoarea maximă:

WkS B ln (9.39) În natură şi în activitatea umană legea entropiei duce la foarte diverse rezultate:

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_3e11757b.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m3f10a201.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_5a5d9fc7.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_53adf335.jpg

Enunţ: La temperatura de zero absolut (0° K) entropia este zero, S = 0.

250

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m47d43400.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_5d11c188.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m71dcb222.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m13f8a4a5.jpg

251

Sistemul studiat este un gaz închis într-un cilindru cu piston, iar procesul de transformare va decurge astfel încât unul din parametrii de stare să rămână constant [40].

Transformarea izocoră

0 VpL (9.40)

Fig. 9.8 Transformarea izocoră

Definiţie: Într-o transformare izocoră volumul rămâne constant.

TOPICUL 2

Procese izotrope ale gazului ideal

252

Lucrul mecanic într-o transformare izocoră a gazului ideal este zero. Din primul principiu al termodinamicii rezultă:

TRi

UQ 2

(9.41) Se poate defini căldura specifică molară la volum constant ca fiind:

Ri

TUl

TQl

CVV

V 2

(9.42)

Transformarea izobară

VpL (9.43) Lucrul mecanic într-o transformare izobară a gazului ideal este numeric egal cu produsul dintre presiunea şi variaţia corespunzătoare de volum. Din primul principiu al termodinamicii rezultă:

VpULUQ (9.44)

Fig. 9.9 Transformarea izobară Se poate defini căldura specifică molară la presiune constantă ca fiind:

Definiţie: Într-o transformare izobară presiunea rămâne constantă.

253

Ri

RRi

TQl

Cp

p 22

2

(9.45)

De unde prin combinarea relaţiilor (9.42) şi (9.45) se obţine relaţia lui Robert-Mayer:

RCC vp (9.46)

Transformarea izotermă

Fig. 9.10 Transformarea adiabatică este mai abruptă

decât transformarea izotermă. Variaţia energiei interne în acest caz trebuie să fie egală cu zero.

0U (9.47) Căldura primită într-o transformare izotermă a gazului ideal este egală cu lucrul mecanic efectuat de acest gaz. Din primul principiu al termodinamicii rezultă:

LQ (9.48)

Transformarea adiabatică

0Q (9.49)

Definiţie: Într-o transformare adiabatică căldura schimbată cu exteriorul este zero.

Definiţie: Într-o transformare izotermă temperatura rămâne constantă.

254

Din primul principiu al termodinamicii rezultă:

UL (9.50) Într-un proces adiabatic lucrul mecanic se efectuează de către gaz pe seama energiei interne care se micşorează. Se poate definii exponentul adiabatic:

1V

P

C

C (9.51)

Ecuaţia transformării adiabatice este:

constpV

constTV

1

(9.52)

Fig. 9.11. Deosebirea dintre o adiabată şi o izotermă Motoarele termice de tip Carnot funcţionează după un ciclu format din două adiabate şi două izoterme.

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_48c77158.jpg

adiabată

izotermă

EXEMPLU ILUSTRATIV 2

255

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_972c158.jpg

256

Transformarea ciclică

Fig. 9.12 Exemple de procese ciclice, în coordonate pV şi TS

În procesele ciclice variaţia energiei interne este zero.

ΔU = 0. (9.53) Faptul că ΔU = 0 înseamnă că toată cantitatea schimbată de gaz este folosită pentru efectuarea lucrului mecanic. Totuşi, din caza principiului al

Enunţ: Într-o transformare ciclică starea finală coincide cu starea iniţială.

TOPICUL 3

Procese ciclice. Ciclul Carnot

257

II-lea al termodinamicii în lucru mecanic se transformă numai cantitatea de căldură Qp – Qc = L care este folosită de gaz efectiv în acest sens. Din această cauză se poate definii randamentul ciclului ca fiind gradul în care este transformată căldura primită de către un gaz ideal în lucru mecanic util:

P

C

P

CP

Q

Ql

Q

QQ

QL

1

(9.54)

Pentru ca un motor termic să funcţioneze trebuie să existe o diferenţă de temperatură între temperatura mediului de la care gazul primeşte o cantitate de căldură Q1 şi temperatura mediului căruia gazul îi cedează cantitatea de căldură Q2.

Ciclul Carnot

Fig. 9.13 Ciclul Carnot

Carnot a dat o schemă pentru o maşină termică ideală care lucrează, fără frecare, cu cel mai mare randament termic, teoretic [20,39]. Gazul folosit ca şi substanţă de lucru se destinde iniţial izoterm la tempera tura T1 de la o adiabată interioară la o adiabată exterioară preluând o căldură Q1. În faza a doua gazul se destinde adiabatic de la temperatura T1 până la temperatura T2 cu (T1 > T2). În timpul trei, gazul se comprimă izoterm la temperatura T2 de la o adiabată exterioară la o adiabată interioară cedând o cantitate de căldură Q2. În timpul 4, gazul revine adiabatic la starea iniţială.

258

Randamentul ciclului Carnot este atunci:

1

2

1

2

1

21

1 T

Tl

Q

Ql

Q

QQ

QL

(9.55)

Randamentul termic al ciclului Carnot nu depinde de natura substanţei de lucru ci numai de temperatura sursei calde (T1) şi de temperatura sursei reci (T2).

Maşinile termice şi randamentul lor

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_479ddb55.jpg

CONCLUZIE

EXEMPLU ILUSTRATIV 3:

259

Fig.9.14. Ciclul Carnot

c

u

Q

Q (9.56)

Fig. 9.15 Cele mai des întâlnite maşini termice sunt motoarele care funcţionează în patru timpi. Un randament bun al acestora duce la un

consum mai mic de combustibil. Practic este imposibil de realizat o maşină termică care să funcţioneze riguros după ciclu Carnot.

Definiţie: În termotehnică şi căldură, prin randamentul unei instalaţii termice se înţelege raportul dintre cantitatea de căldură utilă şi cea consumată.

Definiţie: Instalaţia care transformă energia termică primită sub formă de căldură în energie mecanica sub formă de lucru mecanic se numeşte maşina termică.

c

u

Q

Q

260

Clasificarea maşinilor termice

Din punctul de vedere al stării fizice în care se găseşte substanţa de lucru utilizată: Maşini termice cu abur; Maşini termice cu gaz; Din punctul de vedere al pieselor mobile care servesc la preluarea lucrului mecanic: Maşini termice cu piston; Maşini termice cu palete (turbine); Maşini termice fără piese mobile (rachete); Din punct de vedere al locului unde are loc arderea combustibilului: Maşini termice cu ardere externă; Maşini termice cu ardere internă; Motoare cu explozie sau aprindere prin scânteie. Motoare Diesel sau cu aprindere prin compresie. James Watt (1736 – 1819), turbina cu abur, motorul cu ardere externă.

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m205d7cd4.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m710cb7d4.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m58cfda52.jpg

Motorul cu monoxid de carbon

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m6882085e.gif

261

Nikolaus August Otto (1832 – 1891), motorul cu ardere internă, pe benzină, cu aprindere prin scânteie electrică.

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m190e9c8f.gif

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_4f225e63.gif

262

Rudolf Diesel (1858 – 1013), motorul cu ardere internă, cu motorină, cu aprindere prin compresie.

http://de.academic.ru/preview/61199920/Rudolf_Diesel.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_40409420.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m26afaaa6.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_7891d182.jpg

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_6ccf1c96.gif

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_m4ghjk59cc.jpg

263

http://epiccollection.freeoda.com/images/9_html_6d60e1b6.jpg

TEST DE AUTOEVALUARE

1.Termodinamica studiază: a) corpurile din natură b) proprietăţile corpurilor c) mişcarea termică a materiei d) fenomene suferite de către corpuri

Încercuiţi răspunsurile corecte la următoarele întrebări. ATENŢIE: pot exista unul, niciunul sau mai multe răspunsuri corecte la aceeaşi întrebare. Timp de lucru: 10 minute

264

2. Sistemele termodinamice se clasifică în: a) izolate b) închise c) deschise 3. Mărimile termodinamice pot fi: a) de stare: presiune p, volumul V, energia internă U, entropia S. b) de proces: căldura Q, lucrul mecanic L. c) extensive d) intensive 4.Transformările de stare sunt: a) temperatura b) energia internă c) căldura d) căldura specifică e) căldura latentă 5. Într-o transformare adiabatică căldura schimbată cu exteriorul este: a) zero b) diferită de zero c) mai mare decât zero d) mai mică decât zero 6. Randamentul ciclului Carnot este:

a). 1

2

1

2

1

21

1 T

Tl

Q

Ql

Q

QQ

QL

b).Q =ΔU+L c).L = p.ΔV=0 7. Legea a treia a termodinamicii este: a) S =L +ΔQ b) S = 0 c) L = V + S 8. Din punctul de vedere al pieselor mobile care servesc la preluarea lucrului mecanic maşinile termice se clasifică în: a) maşini termice cu piston

265

b) maşini termice cu palete (turbine) c) maşini termice fără piese mobile (rachete); Grila de evaluare: 1.-c; 2.-a,b,c; 3.-a,b; 4.-niciunul; 5.-a; 6.-a; 7.-b; 8.-a,b,c.

- În TOPICUL 1 am definit termodinamica, sisteme, mărimi şi procese termodinamice. De asemenea aplicaţiile acestora, precum şi a principalelor mărimi termodinamice în principiile termodinamicii şi în procesele izotrope ale gazului ideal.

Enunţul principiului zero al termodinamicii: Într-un sistem izolat, format din n corpuri aflate în contact termic, condiţia necesară şi suficientă de echilibru termodinamic este ca toate cele n corpuri să aibă aceeaşi temperatură.

Principiul I al termodinamicii Enunţ: Cantitatea de căldură primită de un corp duce la variaţia energiei interne a corpului şi la efectuarea de către corp a unui lucru mecanic asupra mediului exterior.

LUQ

Principiului al II-lea al termodinamicii Enunţ: Transferul de căldură se face întotdeauna de la corpul cu temperatură mai ridicată la corpul cu temperatură mai coborâtă.

Termodinamica este acea parte a fizicii care studiază mişcarea termică a materiei în particular procesele de schimb de căldură dintre obiectul studiat şi mediul înconjurător fără a apela însă la reprezentarea moleculară.

REZUMAT

266

Principiul al III-lea a termodinamicii

Enunţ: La temperatura de zero absolut (0° K) entropia este zero, S = 0. - În TOPICUL 2 am prezentat tipurile de procese izotrope ale gazului ideal.

Procesele izotrope ale gazului ideal sunt: Transformarea izocoră Transformarea izobară Transformarea izotermă Transformarea adiabatică

- În TOPICUL 3 am precizat şi prezentat procesele ciclice prin ciclul Carnot. Implicarea acestora în practică s-a exemplificat prin maşinile termice cu evidenţierea randamentului. Carnot a dat un ciclu format din două adiabate şi două izoterme pentru o maşină termică ideală care lucrează fără frecare cu cel mai mare randament termic, teoretic. Randamentul ciclului Carnot este atunci:

1

2

1

2

1

21

1 T

Tl

Q

Ql

Q

QQ

QL

Randamentul termic al ciclului Carnot nu depinde de natura substanţei de lucru ci numai de temperatura sursei calde (T1) şi de temperatura sursei reci (T2).

267

După studierea acestui curs ar trebui să conştientizaţi importanţa termodinamicii în domeniul ingineresc , precum şi însuşirea principalelor elemente de bază, sisteme, mărimi, procese, principii, şi ecuaţii termodinamice necesare studierii şi învăţării acestei părţi ale fizicii.

REZULTATE AŞTEPTATE

Termodinamica este acea parte a fizicii care studiază mişcarea termică a materiei în particular procesele de schimb de căldură dintre obiectul studiat şi mediul înconjurător fără a apela însă la reprezentarea moleculară. Un corp (sau un ansamblu de corpuri) de dimensiuni macroscopice, cu volum determinat reprezintă un sistem termodinamic. Prin starea unui sistem termodinamic înţelegem totalitatea proprietăţilor lui fizice la un moment în situaţia de echilibru şi este determinată de numărul parametrilor macroscopici independenţi. Orice schimbare a stării sistemului termodinamic se numeşte transformare de stare sau proces de stare. Temperatura, Energia internă, Căldura, Căldura specifică, Căldura latentă. Principiile termodinamice Ecuaţia de stare pentru gazul ideal. Legea lui Dalton. Procese izotrope ale gazului ideal. Procese ciclice. Ciclul Carnot. Maşini termice şi randamentul lor.

TERMENI ESENŢIALI

268

RECOMANDĂRI BIBLIOGRAFICE SUPLIMENTARE

- Ardelean I., Fizică pentru ingineri, Editura U.T.PRESS, Cluj- Napoca, 2006; - Biro D., Prelegeri „Curs de Fizică generală” (format electronic, CD, revizuit), Universitatea „Petru Maior”, Tîrgu-Mureş, 2006; - Berkeley, Cursul de fizică - Electricitate şi Magnetism (Vol. 2), Editura Didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1982; - Berkeley, Cursul de fizică - Mecanică (Vol.1), Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1981; - Fechete R., Elemente de fizică pentru ingineri, Editura U.T.PRESS, Cluj Napoca, 2008; - Feynmann R.P., Leighton R. B., Sands M., Fizica modernă, Vol. I - III. Editura Tehnică, Bucureşti, 1970; - Gîju S., Băţagă E., Lucrări de laborator - Fizică. Editura - Universitatea „Petru Maior”, Tîrgu-Mureş, 1991; - Gîju S., Teorie şi Probleme, Editura Universitatea. „Petru Maior”, Tîrgu-Mureş, 2001; - Gîju S., Curs de Fenomene termice şi electromagnetice, Editura Universitatea „Petru Maior”, Tîrgu-Mureş, 2003; - Halliday D., Resnick R., Fizica, vol. I şi II. Editura Didactică. şi Pedagogică, Bucureşti, 1975; - Hudson A., Nelson R., University Physics, Second Edition, Saunders College Publishing, New York, 1990; - Modrea A. , Lucrări de laborator” (format electronic), Universitatea, „Petru Maior”, Tîrgu-Mureş, 2006; - Modrea A., Curs de Fizică generală”(format electronic), Universitatea, Petru Maior”, Tîrgu-Mureş, 2006; - Oros C., Fizică generală-format electronic, Universitatea „Valahia”, Târgovişte, 2008; - Serway R. A., Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, Second Edition, Saunders College Publishing, New York, 1986.

269

TEST DE EVALUARE

1. Numim sistem termodinamic: a). un corp de dimensiuni macroscopice, cu volum determinat b). un ansamblu de corpuri de dimensiuni macroscopice, cu volum determinat c). un corp sau un ansamblu de corpuri de dimensiuni macroscopice, cu volum determinat 2. Parametrii de stare ai unui sistem termodinamic exprimă proprietăţi: a). mecanice b). termice c). electrice d). magnetice e). chimice f). toate 3. Proprietăţile termodinamice pot fi:

Încercuiţi răspunsurile corecte la următoarele întrebări. ATENŢIE: pot exista unul, nici unul sau mai multe răspunsuri corecte la aceeaşi întrebare. Timp de lucru :15 minute

270

a). - extensive (depind de dimensiunea sistemului): volumul V, energia internă U, entropia S b). - intensive (nu depind de dimensiunea sistemului): presiunea p, temperatura T 4. Suma tuturor energiilor cinetice (de oscilaţie, rotaţie sau translaţie) datorate mişcărilor dezordonate ale particulelor constituente ale unui sistem termodinamic şi ale energiilor potenţiale de interacţiune reprezintă: a). căldura, Q b). energia internă, U c). căldura specifică, cs d). temperatura, T 5. Ipotezele care ne permit să considerăm un gaz ca fiind un gaz ideal sunt: a). moleculele gazului sunt sferice b.) dimensiunile sunt neglijabil de mici în raport cu distanţa dintre ele c). ciocnirea dintre ele este elastică şi într-un timp infinit scurt d). cu excepţia ciocnirilor nu interacţionează între ele 6. Principiul I al termodinamicii este reprezentat prin ecuaţia: a). Q=ΔU - L b). ΔU = L + Q c). L = 0 7. Transformarea ciclică este: a) transformarea în care starea finală nu coincide cu starea iniţială b) transformarea în care starea finală coincide cu starea iniţială 8. Din punct de vedere al locului unde are loc arderea combustibilului maşinile termice sunt: a) maşini termice cu piston b) maşini termice cu ardere externă c) maşini termice fără piese mobile d) maşini termice cu ardere internă Grila de evaluare: 1.-c; 2.-f; 3.-a,b; 4.-b; 5.-a,b,c,d; 6.-niciunul; 7-b; 8-b;d.