Curs 1

Notiuni introductive

Termodinamica - studiul fenomenelor, de orice natură, în care are loc un transfer de energie sub forma de căldură și lucru mecanic.

Operele lui Josiah Willard Gibbs au extins domeniul de preocupare al termodinamicii de la orientarea spre randamentul mașinilor termice către studiul caracteristicilor substanțelor și sistemelor.

•proprietăți fluide și ale soluții,

•echilibrul stărilor de agregare,

•polarizarea dielectrică și magnetizarea,

•radiația termică.

Aplicațiile practice sunt și ele numeroase și variate, de la frigider și încălzire centrală la energie regenerabilă și prognoză meteorologică.

Definitie

Termotehnica - disciplină care derivă din fizică

◦ scop: studiul proceselor de transformare a energiei şi interacţiunea între miscarea termică cu alte forme de mişcare.

◦ rol: de a forma gândirea inginerească în vederea creşterii eficienţei echipamentelor energetice, ceea ce însemnă

◦ reducerea consumurilor de combustibil şi materii prime,

◦ operarea instalaţiilor şi echipamentelor cu costuri minime în condiţii de siguranţă şi securitate în funcţionare

◦ reducerea impactului ecologic al echipamentelor energetice la conservarea mediului înconjurător.

Clasificarea termodinamicii

Termodinamica fundamentală

◦ oferă fundamentul axiomatic al termodinamicii, respectiv postulatele şi principiile termodinamicii

◦ permit structurarea unui mod de abordare a problemelor din natură.

Postulatele sunt enunţuri emise pe baza experienţei empirice acumulate de-a lungul timpurilor care au un caracter de generalitate.

◦ Postulatul 1: evoluţia la starea de echilibru.

◦ Postulatul 2: noţiunea de temperatură.

Principiile sunt tot enunţuri emise pe baza experienţei empirice, dar spre

deosebire de postulate, permit introducerea unor mărimi de stare şi a unor legi ce guvernează procesele din natură.

◦ Principiul I al termodinamicii: introduce legea conservării energiei, iar ca mărime de stare introduce energia internă.

◦ Principiul al II-lea al termodinamicii: se referă la ireversibilitatea proceselor în natură şi introduce ca mărime de stare entropia.

◦ Principiul al III-lea al termodinamicii: se referă la evoluţia sistemelor către 0 K (Kelvin) sau repaus absolut şi permite fixarea entropiei la 0 K.

În afara principiilor, termodinamica fundamentală, operează cu o serie de metode care derivă din axiomele termodinamice:

◦ metoda potenţialelor termodinamice.

◦ metoda minimizării entropiei generate de diferite sisteme, etc.

Termodinamica aplicată: este acea parte a termodinamicii care studiază interacţiunea mişcării termice cu alte forme de mişcare.

◦ termodinamica fizică: studiază interacţia mişcării termice cu diferite procese fizice: magnetizare, electrizare, stare de fază (solid, lichid, etc.).

◦ termodinamica chimică: studiază condiţiile de derulare a anumitor reacţii chimice sau condiţiile pentru atingerea echilibrului chimic.

◦ termodinamica tehnică (termotehnică): studiază în principal conservarea energiei în sistemele termomecanice precum şi interacţiunea dintre mişcarea termică şi alte forme de mişcare în sistemele termomecanice .

Termotehnica operează în general cu lucrul mecanic şi căldura ca forme de

energie, studiind comportamentul sistemului termomecanic sub influenţa acestor forme de energie.

În funcţie de natura proceselor:

◦ termostatica: studiul proceselor la starea echilibrului termodinamic, condiţiile necesare pentru atingerea echilibrului precum şi condiţiile pentru ieşirea din starea de echilibru.

◦ termocinetica: studiază procesele de transfer de căldură, condiţiile necesare de maximizare sau minimizare a fluxurilor.

◦ termodinamica: studiază procesele termodinamice ale sistemelor care evoluează de la o stare de

echilibru la alta, interacţiunea dintre diferite sisteme termodinamice, influenţa diverselor fluxuri de energie asupra proceselor de transformare.

◦ Termodinamica reprezintă cadrul care asigură fundamentul pentru analiza şi optimizarea unui proces.

◦ termodinamica proceselor ireversibile – studiază fenomenele care se derulează în afara stării de echilibru.

◦ termodinamica proceselor în timp finit – studiază influenţa mişcării termice asupra proceselor fizice (transformare în care natura substanţei rămâne aceeaşi).

Metode utilizate în termodinamică

Metoda macroscopică (empirică): studiază sistemele macroscopice fără a ţine seama de structura intimă a acestora.

◦ se analizează fluxurile energetice şi de masă schimbate în interacţia sistemelor termodinamice cu alte sisteme sau cu mediul înconjurător.

◦ Pe baza acestei observaţii se emit legi cu caracter general.

◦ Exemplu: Gazul din interiorul unui cilindru cu piston este considerat un corp macroscopic.

Metoda statică (microscopică): se iau în considerare particulele care formează structura intimă a sistemelor termodinamice.

Pentru aceste particule se definesc legi statice de mişcare, de distrubuţia energiei cinetice şi potenţiale şi se estimează comportamentul sistemelor în ansamblu.

Dacă ne referim la acelaşi exemplu (gazul) vom lua în considerare structura intimă a gazului.

Rezultatele obţinute pe baza metodei statice trebuie să concorde la limită cu rezultatele obţinute pe baza metodei macroscopice.

Curs 2

Starea unui system termodinamic este descrisă de un anumit grup de parametri.

Grupul de parametri se consideră complet dacă stările a două sisteme, descrise cu aceleaşi valori ale parametrilor, nu pot fi distinse prin experienţe efectuate la scară macroscopică.

Se pune astfel întrebarea: Care este numărul minim de parametri necesari pentru descrierea unui sistem termodinamic?

Răspunsul la aceasta intrebare îl oferăPostulatul lui GIBBS:un sistem termodinamic format din „i” corpuri, poate fi descris cu ajutorul a „i+2” parametri.

Proprietăţile frontierei determină clasificarea frontierei în următoarele categorii: •sistem termodinamic deschis: frontiera permite schimbul de masă ; în acest caz, se foloseşte terminologia de volum de control, frontiera se numeşte suprafaţa de control, iar secţiunile traversate de debite masice se numesc secţiuni de intrare sau de ieşire; •sistem termodinamic închis: frontiera nu permite schimb de masă; •sistem termodinamic izolat: frontiera nu permite schimb de energie; •corp rigid: în cazul în care frontiera permite doar schimbul de căldură; •sistem izolat adibatic: frontiera permite doar schimbul de lucru mecanic.

Din punct de vedere al compoziţiei sistemele temodinamice pot fi:•omogene:atunci când proprietăţile fizice şi chimice sunt acelaşi în toate punctele sistemului.•neomogene (eterogene):când proprietăţile diferă în diferite puncte ale sistemului.

Sistemele pot să difere din punct de vedere fizic sau chimic:•proprietăţile fizice diferă în diferite puncte ale sistemului, sistemul numindu-se polifazic. •atunci când proprietăţile diferă din punct de vedere chimic, sistemele pot fi amestecuri de gazesau amestecuri de specii chimice.•o porţiune de mediu continuu care are aceleaşi proprietăţi fizice se numeşte fază.

Echilibru termodinamic atunci când mediul înconjurătoraferent unui sistem termodinamic se caracterizează prin valoarea constantă a mărimilor de stare, se spune ca sistemul este în echilibru extern. atunci când mărimile de starecare caracterizează un sistem termodinamic au o valoare constantăse spune că sistemul este în echilibru intern.

Postulatul I al termodinamiciiOrice sistem termodinamic lăsat să evolueze liber fără a fi influenţat sub anumite potenţiale sau fluxuri externe, evoluează de la sine către starea de echilibru.Echilibrul termodinamic se caracterizează prin următoarele proprietăţi:◦reciprocitatea: două sisteme termodinamice aflate iniţial la starea de echilibru termodinamic vor evolua după ce au fost puse în contact către o nouă stare de echilibru sau îşi vor păstra starea iniţială în mod reciproc.

◦tranzitivitatea:două sisteme aflate în echilibru cu un al treilea, sunt în echilibru între ele (legea fundamentală a termometriei).

◦distribuţia unică a energiei de la starea de echilibru: pentru fiecare stare de echilibru distribuţia energiei între diferite corpuri ce compun diferite sisteme este unică.

Postulatul al II-lea al termodinamicii

F(a1,a2,…,a n,T)T-temp. paramentru intern

Un sistem termodinamic la starea de echilibru, poate fi descris cu ajutorul unui numar de parametri externi la care se adauga în mod obligatoriu un parametru intern care descrie starea de echilibru intern al sistemului termodinamic.Consecinte:•postulatul introduce noţiunea de temperatură ca parametru de stare asociat stării de echilibru termodinamic,•procese cvasistatice (independente de timp).•temperatura poate fi definită pentru corpuri macroscopice.

Temp. : Atunci când într-un corp există un număr mai mare de 1023 particule, rezultă un corp macroscopic şi atunci se poate define temperatura.

Sa se determine temperatura de 295°C în grade absolute în grade Fahrenheit. Pentru a determina temperatura de 295°C în grade absolute se aplica urmatoarele relatii de transformare a temperaturii din grade Celsius in grade absolute (Kelvin) :

Pentru a determina temperatura de 295°C în grade Fahrenheit se aplica urmatoarele relatii de transformare a temperaturii din grade Celsius in grade Fahrenheit:

Să se determine temperature de 200 K în grade Fahrenheit si in grade Celsius.Pentru a determina temperature de 200 K în grade Fahrenheit si in grade Celsius, se exprima mai intai temperature in grade Celsius si apoi in grade Fahrenheit,cu ajutorul urmatoarei relatii:

Ecuatia termica de stare

CURS 3

Presiunea absolută a unui fluid Pa–presiunea exercitată de fluid considerând drept nivel de referinţă vidul absolut.Presiunea barometrică (atmosferică) Pb–presiunea exercitată de straturile de aer atmosferice.Presiunea relativă Pr –(presiune manometrica Pm ) presiunea exercitată de fluid, considerând drept nivel de referinţă presiunea barometrică.Presiunea absolută se calculează ca fiind suma dintre presiunea barometrică şi presiunea manometrica: pa=pb+ pmPresiunea absolută se calculează ca fiind diferenţa dintre presiunea barometrică şi presiunea vacuumetrică: pa=pb-pv

Modele folosite in termodinamicăIn general, sistemele de conversiea energiei au doua componente generice:se refera la agentul termodinamiccare evoluează parcurgând anumite transformări

structurasau sistemul care permite evoluţia agentului termodinamic

In studiul proceselor parcurse de agentii termodinamici, prima etapao reprezinta modelarea agentului termodinamic. Modelareaagentilor termodinamici se realizeaza in functie de obiectivele urmariteintr-un anumit studiu.

Etapelede modelare pornesc de la modele simplecare sa poata pune in evidenta aspecte globalecu privire la conversia energieisi pot evolua catre modele care tin seama de proprietatile termofizicein care pot aparea schimbari de faza sau modificari ale compozitiei chimice a agentului.

Prima clasa o reprezinta clasa de modele de gaz perfectsau gaze semiperfecte.

Cea de-a doua clasa de modele o reprezinta modelele de tip gaze realecare pot pune in evidenta fenomene de lichefieresau vaporizare, in vederea evidenţierii formelor de energie necesare in aceste procese de schimbare de faza.

Cea de-a treia clasa de modele o reprezintă modelele polifazicein care pot apărea neomogenitati atât in punct de vedere fiziccat si din punct de vedere chimic.Modelul de gaz perfect (ideal)–structura macroscopica a unui gaz se considera ca fiind formata dintr-un număr mare de molecule stabile din punct de vedere chimic, având o forma sferica, perfect elastice, volum neglijabil. particule uniforme care interactioneaza numai prin ciocniri perfect elastice.

intre particulele gazului nu existaforte de coeziune.Proprietati ale gazului perfect

nu are vascozitate(lipsa vascozitatii este determinata de lipsa fortelor de coeziune dintre particule)

un astfel de gaz nu se lichefiaza

prin comprimarea gazului, datorita ipotezei ca volumul particulelor este neglijabil, la nivel macroscopic, volumul gazului tinde la zero.

Atat densitateacat si caldura specificaau valori constanteindiferent de temperatura.

Modelul de gaz semiperfecteste modelul la care se face abstracţie de anumite proprietati ale gazului perfect.Cel mai des folosit model de gaz semiperfecteste acela la care căldura specifică se consideră dependentă de temperatură.

Legea lui AVOGADRO Două sau mai multe gaze diferite, care la aceiaşipresiuneşitemperatură

ocupă acelaşivolum, au şiacelaşinumarde molecule.

Masa gazuluidin volumul considerat este proportionalăcu masa moleculelor adică cu masa molecularăa gazului respectiv.

Unitatea atomică de masa(UAM) reprezintă a 12-a parte din izotopul C12. Masa molecularăreprezintă masa unei molecule exprimată în unităţide

masă.

Molulreprezintă cantitatea de substanţăa cărei masă se exprimă în grame şieste numeric egală cu masa sa moleculară.

Kmolulreprezintă cantitatea de substanţăa cărei masă se exprimă în kilograme şieste numeric egală cu masa sa moleculara.

Numărul de particulecuprinse într-un mol de substanţăîn coeficientul lui Avogadroeste o constantă şiare valoarea următoare:

CURS 5

CURS 6

Forme ale energiei în sistemele termomecanice

În sens general, energia reprezintă capacitatea de mişcare a unui sistem, corp, ansamblu, etc. Energia se poate caracteriza în funcţie de tipul de mişcare pe care o poate genera. Într-un sistem macroscopic (număr foarte mare de particule), mişcarea la nivel macroscopic (deformarea sistemului, schimbarea poziţiei sistemului sau interacţiunea mecanică a sistemului) se măsoară prin lucru mecanic. Lucrul mecanic este o mărime de proces, iar energia există în formă de lucru mecanic atât timp cât se realizează mişcarea (deformarea sau deplasarea). Mişcarea la nivel microscopic este asociată căldurii ca formă a energiei. Căldura este o mărime de proces si energia există în aceasta formă atât timp cât are loc un transfer de energie de la un corp la celălalt sub efectul unei diferenţe de temperatură.LUCRUL MECANIC

CURS 7

Căldura -reprezintă o mărime de proces.Modurile elementare de propagare a căldurii:Conducţia termică-modul elementar de propagare a căldurii din aproape în aproape de la microparticulă la microparticulă. Procesul de transfer al căldurii are loc dintr-o zonă cu o temperatură mai ridicatăcătre o zonă cu temperatură mai coborâtă.Luând în considerare structura intimă a materiei conductoare, conducţia termică reprezintă acel mod elementar de propagare prin vibraţii atomice.Propagarea căldurii prin vibraţii atomice a fost asociată cu propagarea unor particule teoretice numite „fononi”.

CURS 8

Analiza ciclurilortermodinamice Pentru ca o maşină termică să poată produce un efect util in mod continuu, aceasta trebuie sa parcurgă in mod cyclic o succesiune de transformăritermodinamice. O astfel de succesiune detransformari termodinamice reprezintă un ciclu termodinamic. Prima etapă in modelarea funcţionării unei maşini termice constă in asocierea unui ciclu termodinamic. Astfel maşina cu abur cu piston funcţionează după ciclul Carnot, motorul cu aprindere prin scanteie dupa ciclul Beau de Rochas – Otto s.a.m.d.

Legea transformarii politropice Se numeste transformare politropica, transformarea termodinamica pe parcursul careia sistemul schimba atat caldura cat si lucru mecanic cu mediul inconjurator. Pentru a determina legea transformarii politropice se scriu urmatoarele ecuatii:

Se particularizeaza transformarea politropica pentru celelalte transformari simple ale gazelor perfecte.

Calculul caldurii in transformarea politropica

Calculul lucrul mecanic in transformarea politropica

Transformările gazului perfect

Transformările gazului perfect

TRANSFORMARE IZOBARA

CURS 9Pentru aplicarea principiului I al termodinamicii este nevoie de introducerea termenului de entalpie.H=U+p VENTALPIE – suma dintre energia interna a sistemului afferent volumului de control si lucrul mecanic de dislocare net pe care il primeşte agentul termodinamic in procesul de transformare. Entalpia este o mărime extensiva:h = H / mPrincipiul I al termodinamicii aplicat sistemelor deschise

Atat in transformarea 1-2 cat si in 3-4, masina termica este in contact cu surse exterioare de caldura pentru a schimba caldura.Propagarea caldurii se realizeaza numai daca exista o diferenta de temperatura. Astfel, se fac urmatoarele consideratii:T1 = TSC - dTT2 = TSR + dT unde:TSC este temperatura sursei calde;TSR - temperatura sursei rece;dT - diferenta infinitezimala de temperatura.De remarcat faptul ca diferenta de temperatura este infinitezimala.Aceasta ipoteza este fundamentala in abordarea propusa de Carnot.

Randamentul unei masini motoare Carnot depinde numai detemperaturile maxime si minime pe care agentul termodinamic le atinge in evolutia sa ciclica si ca randamentul are intotdeauna ovaloare subunitara. Extrapoland, rezulta ca cele doua directii de imbunatatire a randamentului masinilor motoare sunt urmatoarele: Reducerea temperaturii T2 - ceea ce inseamna ca temperature sursei reci trebuie sa fie cat mai mica.Aceasta directie este limitata de faptul ca sursa rece folosita este in final mediul inconjurator (aerul atmosferic sau apa din surse naturale).Deci, din punct de vedere economic temperatura sursei reci nu poate fi mai mica decat temperatura mediului inconjurator.