Investeşte în oameni ! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară nr. 1 „Educaţia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.2 „Calitate în învăţământul superior” Numărul de identificare al contractului: POSDRU/156/1.2/G/138821 Beneficiar: Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti Titlul proiectului: Calitate, inovare, comunicare - instrumente eficiente utilizate pentru creşterea accesului şi promovabilităţii în învăţământul superior tehnic

Activitatea A5. Introducerea unor module specifice de pregătire a studenţilor în vederea asigurării de şanse egale

MODUL DE INSTRUIRE: FIZICA

Curs: 4

Grupele: F1, F2, F3, F4, F6, F7, F10

Formatori: TIRIBA Gabriela, CREANGA Ileana, GYŐRGY Romuald,

NICOARA Ionut

1

• 4. Căldura • Cantitatea de caldură (Q) reprezintă o formă de energie și rezultată ca

urmare a mișcării particulelor (molecule, atomi, ioni etc) ce alcătuiesc substanța.

• caloria (cal) este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un gram de apă cu 1K;

• joule este unitate de masură în SI 1 calorie = 4,185 jouli.

• Temperatura

• - reprezintă o mărime macroscopică ce reflectă capacitatea de mișcare (agitația termică) a particulelor ce alcătuiesc substanța.

• - reprezintă potențialul termic al unei substanțe

• Temperatura de 0 K, în practică imposibil de atins reprezintă o stare în care orice mișcare moleculară încetează

• Căldura se transmite (transfer caloric) în mod natural, numai de la o temperatură mai mare la una mai mică și nu invers.

2

• Scări de temperatură

• Scara Celsius, care fixează, ca izoterme de referinţă: • a. izoterma corespunzatoare echilibrului între apă şi gheaţă la presiunea

po= 1atm, pentru care se consideră 1 = 0oC

• b. izoterma corespunzatoare echilibrului între apă şi vaporii de apă, la po= 1atm, pentru care se consideră 2 = 100oC

• Scara Fahrenheit • consideră aceleaşi sisteme de referinţă cu scara Celsius, atribuindu-le

însă temperaturile empirice 1= 32oF şi 2= 212oF

• Scara Kelvin

• zero temperatura denumită “zero absolut”

• T0 = 273,16K temperatura corespunzatoare punctului triplu al apei

• 3

9

)32(

55

)273( 00 FCKT

• Transferul de caldura

• Conducție (în special la metale)

• Convecție (curenți în fluide; convecția poate fi liberă sau forțată);

• Radiație (radiații, în special în înfraroșu, de la corpuri cu temperatură ridicată).

• Conductivitatea termica.

• - Mecanismul de transfer de caldura care se realizeaza la nivel molecular

• - Moleculele cu energie mai mare prin ciocnire cu moleculele sau ionii cu energie mai mica le cedeaza o parte din energia lor cinetica, astfel incat caldura se transmite din aproape in aproape in tot corpul.

• - La metale conductivitatea termica variaza destul de mult cu temperatura, deoarece sunt posibile ambele mecanisme, prin ciocniri elastice intre ionii retelei cristaline si prin electronii liberi.

• La lichide si la gaze conductivitatea este rezultatul ciocnirilor elastice intre molecule. Aceasta este mai intensa la lichide decat la gaze deoarece distanta dintre molecule este mai mica la lichide decat la gaze.

• Convectia

• Convectia este mecanismul de transfer in interiorul aceleiasi faze sau intre faza diferite, care se realizeaza ca efect al deplasarii si amestecarii macroscopice a fluidului.

• Convectia libera este datorata deplasarii curentului de fluid incalzit, care prin ridicarea temperaturii, si-a micsorat densitatea si capata o miscare ascendenta. Un astfel de tip de convectie are loc in aerul dintr-o camera in care se gaseste un corp de incalzire (ex. calorifer), cum si in lichidul dintr-un recipient pus pe foc

• Convectia fortata este datorata unor curenti de fluid pus in miscare prin alte cauze decat micsorarea densitatii adica, deplasarea si amestecarea fluidului este rezultatul unei forte exterioare transmisa fluidului printr-un mijloc mecanic cum ar fi o pompa, un ventilator, etc.

• Convectia fortata asigurand viteze mai mari de deplasare a fluidului este mult mai intensa decat convectia libera

• Radiația

• Radiatia termica este mecanismul de transmitera a caldurii prin propagarea radiatiilor de natura electromagnetice cu lungimea de unda, λ, cuprinsa intre 750nm si 40 μm.

• Transformarea caldurii in energie radianta si invers are loc printr-un fenomen complex de oscilatie interatomica si intraatomica.

• Corpurile in stare condensata (lichide si solide) la care distanta dintre molecule sau ioni este de ordinul lungimilor de unda ale radiatiilor emit si absorb radiatiile pe o grosime foarte mica, practic la suprafata lor.

• Gazele emit si absorb radiatiile in volum deoarece distanta dintre molecule este mult mai mare decat lungimea de unda a radiatiilor termice.

• Radiatiile emise de un corp incandescent se propaga in spatiu si daca sunt absorbite, corpul care le-a absorbit se incalzeste.

• Energia radianta se transforma in caldura cand este absorbita.

• Ex: mijloacele clasice de încălzire a locuințelor (sobe, calorifere etc) transmit căldură atât prin convecție, cât și prin radiație.

• Căldura • Multe experimente se desfășoară în condiții adiabatice, adică fără schimb

energetic cu exteriorul sau în sisteme perfect izolate termic. În orice proces adiabatic, temperatura din sistem se modifică.

• Fenomene quasi-adiabatice pot avea loc în procese foarte rapide, când nu există timpul fizic necesar schimbului termic.

• Atunci când într-un proces nu au loc schimbări de temperatură, procesul poartă denumirea de izoterm.

• Dacă un corp de masă m primește cantitatea de căldură Q, și nu își schimbă starea de agregare, înseamnă că aceasta este o căldură sensibilă, deoarece corpul se încălzește cu ΔT. Egalitatea corespunzătoare este:

• Q = mc ΔT

• Capacităţile calorice ale sistemelor termodinamice simple

• Capacitatea calorică C = Q/DT • se măsoară în cal/K, respectiv J/K

• Căldura specifică masică (căldura masică) c= Q/mDT

• Căldura specifică a unui corp reprezintă o constantă de material și este

cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi unitatea de masă cu 1K

• mc =C

• Capacitatea calorică molară (caldura molara) Cm = Q/nDT

• în J/mol*K sau cal/mol*K

• Căldura latentă

• Q este caldura latenta

• λ este caldura latenta specifica

• Q = λm

• caldura latenta specifica de vaporizare (condensare) la temperatura constanta este marimea fizica scalara definita de relatia

• λv=Q/m

• λ se măsoară în cal/g, respectiv în J/kg;

• Transformari de faza

• (1) curba de topire-solidificare (echilibru solid-lichid);

• (2) curba de sublimare-condensare în stare solidă (desublimare), (echilibrul solidvapori);

• (3) curba de evaporare-condensare (echilibrul lichid-vapori).

• Punctul de intersecţie al curbelor de vaporizare, de topire şi de sublimare ale unei substanţe se numeşte punct triplu al substanţei respective. În acest punct coexistă cele trei stări de agregare.

• Există substanţe care în stare solidă pot prezenta structuri cristaline diferite, adica mai multe faze corespunzătoare aceleiaşi stări de agregare. O asemenea substanţă are mai multe puncte triple şi se numeşte substanţă polimorfă. Trecerea unei substanţe dintr-o formă cristalină în alta se numeşte transormare polimorfă, care este o tranziţie de fază de ordinul I.

• Temperatura critică: pentru temperaturi mai mari decât această valoare, substanţa se va afla numai în stare gazoasă, pentru orice valoare a presiunii

• • Ex: benzenul. • Substanța se prezintă sub forma unor cristale aciculare • pe măsură ce solidul primește căldură, temperatura sa crește pînă la punctul de topire (pt), care la

benzen este 5,45 0C. • Punctul de topire este caracterizat de coexistența fazei solide cu cea lichidă, iar căldura primită

(latentă) este folosită pentru transformarea solidului în lichid (“distrugerea” rețelei cristaline). • lichidul format se încălzește din nou (căldură sensibilă), iar după atingerea punctului de fierbere

se înregistrează căldură latentă necesară transformării lichidului în vapori.

• Tranziții de ordinul I

• Pe tot parcursul transformării:

• temperatura de tranziție rămâne constantă;

• unele proprietăți fizice (de exemplu volumul specific) variază în mod discontinuu, cu salt.

• Tranziții de ordinul II

• Unele corpuri amorfe (ceara, smoala, sticla)

• proprietățile lor variază continuu, într-un interval de temperatură; temperatura de topire este înlocuită cu intervalul (domeniul) de înmuiere

Ttr

T

Vsp

• Densitatea lichidelor este mai mică decât cea a solidelor din care provin.

• Două excepții de la această regulă sunt furnizate de apă, respectiv fontă. Astfel, densitatea gheței este mai mică decât cea a apei (gheața plutește pe apă).

• Problema 1

• Daca ghiața ar avea o densitate mai mare decât apa, care credeți ca ar fi consecințele asupra climei pe planeta Pamânt?

• Răspuns. Daca ghiața ar avea o densitate mai mare decât apa, atunci aceasta s-ar depune la fundul riurilor sau lacurilor și în timp s-ar acumula, determinând răcirea ireversibilă a climei. Din fericire, ghiața are o densitate mai mică decât apa și primăvara plutește pe apă, fiind astfel expusă radiației solare.

• principiul conservării energiei se aplică și schimbului de căldură între două corpuri (căldura cedată este egală cu căldura primită).

•

• Problema 2 • Apa foarte pură ( fără aer dizolvat în ea) poate fi răcită foarte rapid

până la o temperatură de -8 0C; evident această situație este metastabilă și la cea mai mică perturbație o parte din apă va îngheța, un echilibru stabil realizându-se la 0 0C. Se cere să se stabilească raportul ghiață/apă la punctul de înghețare.

• (căldura latentă de topire a gheței ca fiind 80 cal/g, iar căldura specifică a apei 1 cal/g*K).

• Răspuns: Să presupunem o masă de apă m; o cantitate x din aceasta va îngheța eliberând o cantitate de căldură necesară pentru ca m-x să se încălzească de la -8 0C la 00C (înghețarea este un fenomen exoterm). Ecuația de conservare a căldurii devine:

• 80 x = 8(m-x) sau x = m/11 • Așadar, numai a 11-a parte din apă îngheață, iar sistemul se află în

întregime la 00C în echilibru termodinamic. • principiul măsurătorilor crioscopice; • metodica prezentată mai sus reprezintă unica posibilitate de a atinge

echilibrul termodinamic în toată masa amestecului.

• Problema 3 • Un kilogram de gheață mărunțită la 00C este amestecată cu 1 kg apă

aflată la 500C • Stabiliți starea finală a sistemului după realizarea schimbului de căldură. • • Răspuns temperatura finală va fi cuprinsă între 00C (inclusiv) și 500C. Dacă

temperatura va fi cuprinsă între 00C și 500C, atunci vor rezulta 2 kg apă; dimpotrivă, dacă numai o parte din gheață se va topi, atunci amestecul apă – gheață se va afla la 00C

• Cantitatea de căldură necesară topirii gheții este: • Q1 = 1kg*80 Kcal/kg = 80 Kcal • Cantitatea de căldură rezultată prin răcirea apei este: • Q2 = 1kg*1 (Kcal/kg)*50K = 50 Kcal • Deoarece Q1 > Q2 rezultă că nu toată gheața poate fi topită, astfel încât

amestecul final de apă și gheață se va afla la 00C.