1

Prin fenomen termic nelegem, n general, orice fenomen fizic legat de micarea haotic, complet dezordonat care se manifest la nivel molecular. Variaia proprietilor fizice ale substanei la nclzirea sau rcirea ei, schimbul de cldur dintre corpurile nclzite diferit, transformarea cldurii (obinut prin arderea combustibililor) n lucru mecanic, etc. constituie exemple de fenomene termice. n Fig. 1 a), b) i c) avei cteva exemple de fenomene termice.

1. INTRODUCERE

n Univers, materia se gsete sub dou forme: cmp i substan. Cmpul este forma de existen a materiei care se manifest prin intermediul unor interaciuni. Substana este forma de existen a materiei pe care o recepion cu ajutorul organelor de sim: o vedem, o mirosim o pipim,Corpurile care ne nconjoar! Substana este alctuit din molecule i atomi, care se afl ntr-o continu micare, haotic i dezordonat. Aceast micare nu este rezultatul unor cauze exterioare, este spontan, nu nceteaz niciodat i este dependent de temperatur Micarea haotic i dezordonat a moleculelor se numete agitaie termic, sau micare Brownian. Denumirea de micare brownian vine de la numele botanistului Robert Brown care n 1827 a observat c particulele de polen aflate sub microscop se micau haotic. n anul 1905 Einstein descrie matematic ce se ntmpl cu particulele minuscule aflate sub loviturile moleculelor substanei n care se afl. Dei, de exemplu, particulele de polen sunt de sute de ori mai mari dect moleculele de ap, pentru c o particul de polen este lovit n acelai moment de mai multe molecule, fiecare lovind dintr-o alt direcie, rezultatul ciocnirilor multiple este o micare abia perceptibil a particulei de polen. Teoria einsteinian a micrii browniene are aplicaii n explicarea modului n care poluarea, de pild, se rspndete prin aer i ap; de asemenea, aceeai teorie este folosit cu succes n determinarea efectelor inundaiilor, dar i n explicarea unor fenomene economice i bancare, cum ar fi fluctuaiile de pre pe pia. Existena agitaiei termice a moleculelor oricrui corp poate fi pus n eviden printr-o serie de experimente. De exemplu fenomenul de mprtiere a moleculelor unui corp printre moleculele altui corp, fenomen care este cunoscut sub numele de fenomen de difuzie.

Difuzia este un fenomen ireversibil! Nu exist fenomen invers difuziei, cum exist n cazul altor fenomene, de exemplu: dilatare contracie, topire solidificare, etc.

2. MRIMI I UNITI CARACTERISTICE STRUCTURII DISCRETE A SUBSTANEI Atomii i moleculele sunt particule foarte mici, invizibile, masa lor neputnd fi exprimat utiliznd unitile de mas convenionale. n acest scop, n anul 1961 a fost adoptat, printr-o convenie internaional, ca unitate de msur, pentru masa atomilor i moleculelor, Unitatea Atomic de Mas, notat 1u, i egal

cu a 12-a parte din masa izotopului .

=

, (1)

1. Masa atomic relativ este un numr care ne arat de cte ori masa unui atom este mai mare dect 1u.

Exemple de cteva mase atomice relative: = , = , = etc. Aceste numere,

rotunjite la cel mai apropiat ntreg, le gsii, ca valoare exact, n fiecare csu a Tabelului Periodic al

2

Elementelor, sub simbolul fiecrui element. De exemplu, pentru argint, Fig. 2, masa atomic relativ

este = . 2. Masa molecular relativ este un numr care ne arat de cte ori masa unei molecule este mai mare dect 1u. n acest caz lucrurile stau la fel, doar c trebuie s inem cont de structura molecular a fiecrui element sau substan chimic. Exemple de cteva mase moleculare relative:

= , = , = i aa mai departe Observai c aceste mase nu au unitate de

msur, sunt numere. Spunem despre acest tip de mrimi c sunt adimensionale. 3. Kilomolul, kmol este cantitatea de substan a crei mas exprimat n kg este numeric egal cu masa molecular relativ a substanei. Masa unui kmol se numete mas molar i se noteaz cu .

Exemplu: etc.

Kilomolul reprezint unitatea de msur pentru cantitatea de substan i este unitate de

msur fundamental in Sistemul Internaional de Uniti de Msur, SI.

Proprietile Kilomolului 1. 1 kmol de indiferent ce substan, aflat n orice stare de agregare solid, lichid sau gazoas, conine totdeauna acelai numr de molecule:

= , /.

Acest numr se numete numrul lui Avogadro i este o constant important n fizic. 2. 1 kmol de indiferent ce substan aflat n stare gazoas, n aceleai condiii de temperatur i presiune ocup acelai volum, V. Aceast afirmaie reprezint legea lui Avogadro. S-a stabilit experimental, c 1 kmol de gaz, n condiii normale de presiune i temperatur ocup

totdeauna volumul: (2)

Condiii normale de presiune i temperatur nseamn ( p0 = 1atm i t0 = 00C).

3. METODE DE STUDIU AL FENOMENELOR TERMICE:

A. TEORIA CINETICO-MOLECULAR studiaz proprietile corpurilor macroscopice, indiferent de starea lor de agregare i fenomenele termice la care particip aceste corpuri folosind ipoteze cu privire la structura lor intim. n acest scop sunt elaborate modele, care ne ajut s ne imaginm la nivel macroscopic i s nelegem ceea ce se ntmpl la nivel microscopic, n limba greac mikros = mic. De exemplu, substana este alctuit dintr-un numr foarte mare, dar finit, de molecule. Aceste molecule ni le imaginm ca pe nite corpuri macroscopice, a cror micare se supune legilor mecanicii clasice.

Fiind vorba de un numr foarte mare de molecule, este evident c nu am putea studia micarea fiecrei molecule. Imaginai-v c numai ntr-un metru cub de gaz, de exemplu, n codiii normale de presiune i temperatur, exist un numr foarte mare de molecule egal cu:

Cunoscut sub numele de numrul lui Loschmidt. Ansamblul format dintr-un numr foarte mare de elemente, n cazul nostru molecule, se numete ansamblu statistic. Acest ansamblu are o reprezentare macroscopic, dar comportarea lui se deosebete calitativ de comportarea fiecrei molecule n parte. n acest caz acioneaz o alt categorie de legi, specifice acestor ansambluri, dar care nu mai sunt specifice sistemelor mecanice simple, numite legi statistice.

Comportarea specific a sistemelor de molecule este determinat de micarea haotic, n care factorul ntmplare are rol determinant: ciocnirile dintre molecule, vitezele, nainte i dup ciocnire, direciile de micarei aa mai departe, sunt absolut ntmpltoare. n aceast situaie acioneaz legile statistice!

= , = ,

= ,

= ,

.

=

,

3

Legile statistice stabilesc o dependen ntre mrimile macroscopice i valorile medii ale

mrimilor caracterizeaz micarea moleculelor. Mrimile fizice ale cror valori depind de valorile medii ale mrimilor ce caracterizeaz micarea moleculelor se numesc mrimi statistice, de exemplu presiunea i temperatura. Mrimile statistice se refer numai la ansamblurile mari de elemente ale unui sistem i caracterizeaz comportarea acestuia doar ca ansamblu. De exemplu: ntr-un volum de gaz moleculele au viteza medie

vT = v2 = 450/, ( se numete, aa cum vom vedea puin mai trziu, vitez termic). Acest lucru nseamn c sistemul se comport ca i cum moleculele lui ar avea viteza v = 450m/s. Este posibil ca nici una dintre molecule s nu aib aceast vitez, dar, statistic vorbind, media vitezelor lor este v = 450m/s.

De exemplu: un elev are la fizic dou note de 10 i un 7. Media lui la fizic este 9, dei elevul nu a luat nici o not de 9. Aceast medie este important deoarece ea ne ajut s facem o serie de aprecieri referitoare la comportamentul elevului n colectiv, n ce privete ordonarea elevilor n ordinea mediilor, stabilirea ierarhiei, precum i stabilirea nivelului de cunotine la fizic, cunotine de care va avea nevoie n vederea susinerii unor examene viitoare.

MODELUL GAZULUI IDEAL (SAU PERFECT)

Aa cum am spus, pentru a studia sistemele, din punct de vedere cinetico-molecular, este nevoie s facem anumite ipoteze n legtur cu aceste sisteme, s ne imaginm un model. Modelul cel mai simplu, folosit pentru studiul gazelor, este modeleul gazului ideal.

Un gaz este considerat ideal dac ndeplinete urmtoarele proprieti: 1. Este format dintr-un numr foarte mare de particule identice, molecule sau atomi. 2. Dimensiunile particulelor sunt mult mai mici dect distanele dintre ele, astfel ele pot fi considerate puncte materiale (au mas, dar nu au dimensiuni). 3. Particulele se afl ntr-o continu micare haotic, fr vre-o direcie prefereniat. Micarea fiecrei molecule, luat separat se supune legilor mecanicii clasice. 4. Particulele interacioneaz, att ntre ele ct i cu pereii vasului, numai n momentul ciocnirilor, care sunt perfect elastice.

5. Micarea particulelor, ntre dou ciocniri, este rectilinie i uniform, nefiind influenat de forele intermoleculare, de atracie sau respingere. Drumul parcurs de o particul ntre dou ciocniri este o linie dreapt, se numete drum liber i are de fiecare dat alt valoare. Valoarea medie a tuturor acestor drumuri se numete drum liber mediu, notat . Din cele spuse mai sus se poate deduce c, n condiii normale de presiune i temperatur, orice gaz poate fi considerat gaz ideal

GRADE DE LIBERTATE.

Orice parametru independent, necesar pentru a indica, in mod unic poziia unui sistem n spaiu se numete grad de libertate. Se numete legtur orice restricie aplicat unui sistem.

Molecule monoatomice O molecul monoatomic este asimilabil unui punct material care se poate mica ntr-un spaiu cu trei dimensiuni. n acest caz, poziia ei la un moment dat poate fi determinat in mod univoc prin cele trei coordonate spaiale, ceea ce nseamn ca are: i = 3 trei grade de libertate.

Concluzie: o molecul monoatomic are i = 3 grade de libertate.

Molecule diatomice RIGIDE O molecul diatomic este alctuit din doi atomi, asimilai unor puncte materiale, supui unor legturi, ca o mic ganter. Considernd fiecare atom ca fiind liber, avem, pentru fiecare din acetia cte i1 = i2 = 3 grade de libertate, deci, total 6 grade de libertate.

Intre cei doi atomi exista o legtur, care reduce cu o unitate numrul de gradelor de libertate: i = (i1 + i2) - 1 = 6 - 1 = 5.

Concluzie: o molecula diatomic rigid are i = 5 grade de libertate.

TEOREM: Fiecare legtur micoreaz numrul de grade de libertate cu o unitate.

4

Molecule triatomice RIGIDE O molecul triatomic este alctuit din trei atomi, asimilai unor puncte materiale, supui unor legturi, plasai n vrfurile unui triunghi. Fiecare atom, dac ar fi liber, ar avea cte trei grade de libertate: i1 = i2 = i3 = 3, deci total: i1 + i2 + i3 = 9. Deoarece ntre atomii moleculei exista trei legturi, numrul gradelor de libertate se reduc cu trei uniti: i = 9 - 3 = 6.

Concluzie: o molecula triatomic rigid are i = 6 grade de libertate. Molecule poliatomice RIGIDE O molecul poliatomic este alctuit din trei sau mai muli atomi, asimilai unor puncte materiale, supui unor legturi, plasai n vrfurile unui poliedru, n general plan, supui unor legturi. Pentru a determina poziiile a trei atomi (dup cum am artat anterior), avem nevoie de ase coordonate. n momentul n care cunoatem poziiile a trei atomi, un al patrulea nu se poate afla dect ntr-o poziie determinata de geometria intern a moleculei. Altfel spus, cunoscnd geometria intern a moleculei, pentru a cunoate poziia unui al patrulea atom nu avem nevoie de alte coordonate (al patrulea atom, fa de primii trei nu are nici un grad de libertate, nu are nici o posibilitate de micare, cu att mai mult pentru un al cincilea atom, al aselea, s. a. m. d.)

Concluzie: moleculele poliatomice rigide au i = 6 grade de libertate.

POSTULATELE TERMODINAMICII. TEMPERATURA EMPIRIC Primul postulat, formulat de L. Boltzman, denumit i principiul general al termodinamicii.

Un sistem izolat ajunge totdeauna, dup un interval de timp, ntr-o stare de echilibru termodinamic i nu poate iei, singur, de la sine, din aceast stare. Procesul de revenire n noua stare de echilibru termodinamic se numete relaxare, iar timpul n care are loc acest proces se numete timp de relaxare, . Timpul de relaxare poate avea orice valoare, de la timpul de interaciune nuclear, de ordinul 10

-19s, pn la timpul de dezintegrare nuclear 109ani. Al doilea postulat, numit i principiul zero al termodinamicii, este legat de alte proprieti

ale echilibrului termodinamic, considerat ca o form particular a agitaiei termice, precizeaz proprietile sistemului aflat n stare de echilibru termodinamic, prin dou formulri echivalente: 1. Dou sisteme termodinamice aflate n echilibru termic cu un al treilea sistem, se gsesc n echilibru ntre ele. Din acest motiv postulatul al doilea se mai numete i postulatul tranzitivitii. 2. Orice mrime de stare a unui sistem aflat n condiii de echilibru termodinamic poate fi determinat n funcie de parametrii de stare externi ai sistemului i de o mrime ce caracterizeaz starea interioar a sistemului, numit temperatur, t. Dup cum reiese din enunurile de mai sus, acest postulat introduce temperatura ca parametru de stare intern, caracteristic strii de echilibru i precizeaz tranzitivitatea echilibrului termodinamic.

n concluzie: Temperatura empiric, sau pe scurt temperatura,

este o mrime fizic ce caracterizeaz stare de echilibru termic dintre dou sisteme termodinamice. Este o mrime intensiv i

este considerat o msur a gradului de agitaie termic a moleculelor sau atomilor din sistem, luat individual.

Cele mei cunoscute scri de temperatur empiric sunt scrile Celsius i Fahrenheit.

Cea mai folosit este scara Celsius, cu unitatea de msur 0C. Observaie. n Statele Unite, Canada, Marea Britanie i alte cteva ri din Asia se folosete scara Fahrenheit, cu unitatea de msur 0F. 1

0F = 1,8

0C + 32 (3)

O alt scar de temperatur este scara Kelvin, numit i scar de temperatur termodinamic, sau scara absolut, este o scar remarcabil datorit faptului c are originea n punctul numit zero absolut, adic cea mai mic temperatur care poate exista n natur,

motiv pentru care unitatea ei de msur, Kelvinul, K, a fost adoptat ca unitate fundamental n Sistemul Internaional: T = 273 + t, exprimat n K (4)

5

MSURAREA TEMPERATURII Pentru msurarea cantitativ a temperaturii este necesar s alegem un corp de referin, ale crui proprieti fizico-chimice pot fi msurate n raport cu variaia temperaturii, pe care l vom numi corp termometric. De exemplu mercurul, un semiconductor, sau o combinaie de metale. Fenomenele fizice investigate vor fi dilatarea, conductivitatea electric etc. A msura temperatura nseamn a gsi o coresponden ntre valoarea msurat a mrimii fizice ce caracterizeaz corpul termometric i temperatur. Dispozitivele de msurare a temperaturii, cu aplicaii n foarte multe domenii de activitate a omului, se numesc termometre. Termometrele sunt dispozitive relativ simple, n ce privete construcia, cu diferite grade de precizie, capabile s acopere un domeniu larg de temperatur (ntre -200 C i +3000 C). Primii care au ncercat s construiasc dispozitive de msurat temperatura au fost G. Galilei, E. Torricelli i alii, i toi au avut ales ca fenomen fizic msurabil dilatarea termic a unor lichide sau gaze. Primul termometru modern a fost construit de fizicianul german D. G. Fahrenheit, dup al crui principiu este construit termometrul de camer actual, Fig. 3., i numit termometrul cu mercur (sau cu alcool). Fahrenheit a fabricat primul termometru cu mercur, i a stabilit ca 0 F temperatura stabilizat, de echilibru, atunci cantiti egale de ghea, ap i sare sunt amestecate. El definete apoi 96 F ca temperatura indicat, "atunci cnd termometrul este deinut n gur sau sub axila unui om n via, n stare bun de sntate", aceste puncte se numesc puncte termometrice. A. Celsius stabilete 0

0C ca temperatura de solidificarea a apei i 1000C temperatura de fierbere a apei. Fiind o scar

centesimal, scara Celsius este mai uor de folosit, este mai practic i din acest motiv a fost adoptat cu prioritate.

Alte tipuri de termometre:

- Termometrul cu rezisten conine drept corp termometric un material conductor. n acest caz rezistena corpului termometric variaz cu temperatura conform relaiei:

= ( + ) (5) Unde R0 este rezistena conductorului la t = 0

0C, iar este coeficientul termic al rezistivitii. Temperatura se calculeaz conform rel. (5). Substanele care sun folosite la construcia termometrelor cu rezisten trebuie s ndeplineasc condiiile:

1. Coeficientul termic al rezistivitii s fie mare, pentru a asigura o sensibilitate mare termometrului. Din rel. (5):

(6)

2. Conductorul s aib o rezistivitate electric mare, pentru a un conductor cu o lungime mic. 3. Substana din care este confecionat corpul termometric s nu reacioneze chimic cu alte substane

din mediul n care se msoar temperatura. Cele mai utilizate materiale sunt platina, pentru intervalul de temperatur de la 1000C la +2000C i cuprul de la 200C la +1000C. - Termistorii sunt termometre cu rezisten, la care corpul termometric este un material semiconductor. Rezistena semiconductorilor scade odat cu creterea temperaturii dup o lege exponenial. Pentru semiconductori coeficientul termic al rezistivitii este negativ i de aprox. 10 ori mai mare, n valoare absolut, dect n cazul conductorilor. Din aceast cauz sensibilitatea semiconductorilor este mult mai mare dect n cazul conductorilor, iar dimensiunile corespunztor mai mici. Precizia de msurare a temperaturii, pentru acest tip de termometre este de ordinul 0,00010C. - Termocuplul este un ansamblu de dou metale sudate la capete, Fig. 4a). Msurarea temperaturii se

face n conformitate cu efectul Seebeck: fenomenul de apariie a unei tensiuni electromotoare E, ntr-un circuit electric nchis, format din dou conductoare de natur diferit, sudate la capete.

Tensiunea electromotoare depinde liniar de diferena de temperatur dintre cele dou suduri, Fig. 6b). Dac sudura rece se ine la t0 = 0

0C, indicaia mV va fi proporional cu temperatura sudurii calde.

=

=

6

=

Pentru domenii restrnse de temperatur, aceast dependen poate fi exprimat prin relaia: E = E0 + at (7)

unde a este o constant care depinde de natura termocuplului. Se poate defini i n acest caz o sensibilitate a termocuplului:

(8)

TEOREMA ECHIPARTIIEI ENERGIEI DUP GRADELE DE LIBERTATE. Energia total coninut de ansamblul unui numr mare de particule individuale care fac schimb de energie ntre

ele prin ciocniri mutuale este distribuit egal (n medie), pe toate particulele, corespunztor fiecrui grad de libertate.

Unui grad de libertate al unei moleculei de gaz i corespunde o energie medie:

(9)

unde am notat cu k constanta lui Boltzman, k = 1,3810-23J/K,

MRIMI STATISTICE, CINETICO-MOLECULARE 1. Interpretarea cinetico-molecular a noiunii de temperatur n teoria cinetico-molecular energia cinetic medie a unei molecule va fi dat de relaia:

(10)

unde am notat masa unei molecule i viteza ptratic medie a moleculelor. S-a constatat experimental c gradul de agitaie termic al moleculelor i deci i energia lor cinetic medie crete odat cu creterea temperaturii i invers. De aici deducem c temperatura, din punct de vedere cinetico-molecular, reprezint o msur a agitaiei termice a moleculelor din sistem. Sau, altfel spus,energia cinetic medie a moleculelor este proporional cu temperatura i innd cont i de rel. (10): (11)

Pentru gazul monoatomic numrul gradelor de libertate i = 3.

2. Interpretarea cinetico-molecular a noiunii de presiune Moleculele se ciocnesc, n micarea lor haotic, cu pereii vasului. Aceste ciocniri vor fi cu att mai dese i mai intense cu ct energia cinetic medie a moleculelor va vi mai mare i evident, cu ct agitaia termic i n mod implicit temperatura vor fi mai intense, mai mari. Intensitatea acestor ciocniri va fi sesizat, din punct de vedere macroscopic, cu ajutorul mrimii fizice statistice presiunea. Deci se poate spune c presiunea este proporional cu energia cinetic medie a moleculelor. Mai exact, n teoria cinetico-molecular se poate demonstra matematic c: presiunea unui gaz, reprezint dou treimi din energia cinetic a tuturor moleculelor din unitatea de volum.

(12)

unde cu (13)

am notat concentraia moleculelor, raportul dintre numrul total de molecule i volumul gazului. Observai c dac nlocuim rel. (11), cu i = 3, n rel. (12) obinem:

(14)

cunoscut sub numele de formula fundamental a teoriei cinetico-moleculare.

=

=

=

=

=

=

=

7

=

ECUAII DE STARE

1. Ecuaia termic de stare a gazului ideal Dac introducem rel. (11) n rel. (12), cu i = 3, obinem ecuaia: (15)

care reprezint ecuaia termic de stare. Tot din rel. (4) putem deduce formula vitezei termice, :

(16)

unde am fcut notaiile: = = , / , numit constanta universal a gazelor,

iar = reprezint masa molar a gazului, aa cum am definit-o deja. OBSERVAIE: Dac n ecuaia (8) nlocuim n i k, cu valorile pe care tocmai le-am definit, obinem:

(17)

care nu este altceva dect o alt form a ecuaiei termice de stare. Sesizai notaia: (18)

numit numrul de kmoli.

2. Ecuaia caloric de stare a gazului ideal Energia intern reprezint suma energiilor interne a tuturor moleculelor din sistem. Pentru un gaz oarecare energia intern va fi dat de relaia: (19)

Relaia: (19)

reprezint ecuaia caloric de stare a gazului ideal.

B. TERMODINAMICA (n limba greac therme = cldur i dynamikos = for) studiaz fenomenele termice fr s se intereseze de structura intim, compoziia atomo-molecular, a substanei. Ea studiaz, experimental, fenomene la care particip corpuri ale cror dimensiuni sunt perceptibile pentru om. Astfel de corpuri, formate dintr-un numr foarte mare, dar finit, de molecule sau atomi se numesc corpuri macroscopice, iar fenomenele care au loc n aceste corpuri se numesc fenomene macroscopice, n limba greac makros = mare i skopeo = a observa, a privi. Termodinamica opereaz cu mrimi fizice care pot fi msurate, sau calculate direct. Din acest motiv, concluziile termodinamicii sunt independente de modul n care percepem structura intim a substane, i sunt incontestabile. Ca metod de studiu al fenomenelor termice, termodinamica a aprut la nceputul sec. al XIX-lea, o dat cu apariia primelor motoare termice, motorul cu abur. Prima lucrare de termodinamic, Consideraii asupra forei motoare a focului i asupra mainilor capabile s dezvolte aceast for a aprut n anul 1924 i a aparinut inginerului Sady Carnot. 4. NOIUNI DE BAZ N TERMODINAMIC - Sistem un corp macroscopic, sau un ansamblu de corpuri macroscopice. Dac sistemul studiat este din termodinamic se numete sistem termodinamic. - Mediul exterior, sau exteriorul tot ceea ce nu aparine sistemului. Sistemele termodinamice studiate pot fi:

omogene au aceeai compoziie chimic i aceleai proprieti fizice n orice punct. De exemplu oxigenul dintr-o butelie, sau apa dintr-un pahar;

neomogene sunt alctuite din mai multe substane, numite componeni i pot fi alctuite din

= =

=

=

=

=

=

=

= =

=

=

8

mai pri distincte i care pot fi separate printr-o suprafa de separaie. De exemplu amestecul de gaze, de lichide miscibile, sau nemiscibile (care se amestec, sau care nu se amestec), etc.;

izolate nu interacioneaz cu mediul exterior: nu schimb substan i nici o form de energie cu mediul exterior. De exemplu lichidul dintr-un termos;

neizolate interacioneaz cu mediul exterior: nu schimb substan, dar schimb energie. De exemplu sucul dintr-o sticl astupat;

nchise nu schimb substan cu exteriorul, dar schimb energie. De exemplu este cilindrul unui motor cu aprindere prin scnteie n perioada cnd supapele de admisie i evacuare sunt nchise.

deschis schimb substan i energie cu mediul exterior. De exemplu o cascad; - Starea sistemului totalitatea proprietilor fizico-chimice ale unui sistem, la un moment dat. - Parametri de stare un ansamblu de mrimi fizice ce caracterizeaz starea sistemului i interaciunea acestuia cu mediul exterior, din limba greac parametreo = a msura, a compara.

Parametri de stare pot fi:

interni, depind de proprietile interne ale sistemului, ex. densitatea, presiunea, temperatura; externi, depind de proprietile externe ale sistemului i de poziia corpurilor exterioare n

raport cu sistemul, ex. volumul;

independeni, pot lua valori arbitrare, ex. masa, temperatura; dependeni, se exprim n funcie de parametrii independeni prin anumite relaii matematice,

ex. densitatea , sau presiunea p = nkT;

de poziie (de coordonat), ex. volumul; de for, ex. presiunea

- Transformare de stare, sau proces trecerea unui sistem dintr-o stare n alt stare. Evident, transformarea de stare presupune modificarea parametrilor de stare.

Transformrile de stare, sau procesele termodinamice pot fi:

o Procese de echilibru, sau cvasistatice. Trecerea sistemului dintr-o stare de echilibru

termodinamic n alt stare de echilibru termodinamic se face foarte lent, astfel nct fiecare stare intermediar poate fi considerat stare de echilibru termodinamic. Astfel de procese se pot reprezenta grafic, Fig. 5a), strile intermediare A1, A2, A3, A4 sunt stri de echilibru termodinamic. Astfel de procese sunt o idealizare tiinific i au rolul de a ne ajut s nelegem esena fenomenelor.

o Procese de neechilibu, sau necvasistatice. Sunt transformri rapide, brute. Nu se pot reprezenta grafic, Fig. 5b). ntre starea iniial 1 i starea final 2 nu tim ce se petrece!

o Procese deschise, Fig. 5 a), b), c) i e) sunt procese deschise. o Procese nchise, sau ciclice, Fig. 5d), sistemul revine n starea iniial, dar pe alt drum. o Procese reversibile, Fig. 5e), sistemul revine n starea iniial pe acelai drum, fr ca

sistemul sau corpurile cu care intr n contact s-i modifice starea termodinamic. o Procese ireversibile, sistemul nu mai revine de la sine n starea iniial. Revenirea n starea

iniial ar fi posibil numai pe acelai drum i cu consum de energie. Procesele necvasistatice sunt ireversibile, de exemplu difuzia, conductibilitatea termic. Observai c exist mai multe categorii de clasificare att a sistemelor ct i a parametrilor de stare. De asemenea un sistem poate fi omogen i izolat sau un parametru poate fi intern, dar i independent n acelai timp.

Procesele specifice naturii sunt necvasistatice i ireversibile!

=

9

6. ENERGIA INTERN Energia extern a unui sistem este o sum dintre energia cinetic Ec, datorat micrii de translaie, rotaie i vibraie a sistemului, ca ntreg, energia potenial Ep, datorat poziiei sistemului, ca ntreg, ntr-un cmp de fore, de ex. cmpul gravitaional. Energia extern este studiat n cadrul mecanicii. Energia intern U, este suma tuturor energiilor cinetice, , datorate micrii termice, energiile poteniale determinate de forele intermoleculare i energiile poteniale datorate cmpurilor externe de fore, ale tuturor moleculelor din sistem. Energia intern este o mrime macroscopic i un parametru intern, care poate depinde de o serie de parametri externi i temperatur, reprezentat prin agitaia termic a moleculelor ce alctuiesc sistemul. n caz particular, dac meninem parametrii externi constani, parametrii interni i deci i energia intern U este funcie numai de temperatur. OBSERVAIE. Energia total a unui sistem este suma dintre energia extern i energia intern n studiul pe care l vom face n continuare, vom considera sistemul n repaus, deci parametrii externi fixai. Astfel Ec = 0, Ep = const.= 0, iar singura energie diferit de zero, i care nu poate fi niciodat zero, este energia intern, iar pentru gazul ideal U = U(T), rel. (19).

7. CLDURA Atunci cnd dou, sau mai multe sisteme (sau corpuri), cu temperaturi diferite, deci aflate n stri de

echilibru diferite, sunt puse n contact termic, ntre ele va avea loc un schimb de energie pn se va atinge o nou stare de echilibru termodinamic, diferit de cele dou i caracterizat de o alt temperatur. Astfel, fiecare sistem va suferi cte o transformare de stare, pentru a ajunge ntr-o stare termodinamic de echilibru comun, adic o stare n care cele dou (sau mai multe) sisteme au aceeai parametrii. Contactul dintre corpurile ntre care are loc schimb de energie numai sub form de cldur se numete contact

termic. Modaliti ale schimbului de cldur dintre corpuri este ilustrat n Fig. 4. Dou sau mai multe corpuri sunt n echilibru termic dac, puse n contact termic, nu fac schimb de cldur. Cldura este mrimea fizic ce caracterizeaz gradul de nclzire a unui sistem; cldura este o

form de energie, se noteaz cu Q i se msoar n jouli, sau n calorii, 1cal = 4,1855 J. Deoarece aceast form de energie se manifest doar atunci cnd sistemul sufer o anumit transformare, spunem despre cldur c este o form a schimbului de energie. Ca form de energie, cldura este o consecin a agitaiei termice. Corpurile posed cldur n mod natural, spontan i etern, la fel ca i micarea termic. Pentru a stabili gradul de nclzire a unui corp este necesar s ne punem n contact termic cu acest corp, Fig. 6. Aceasta este o metod calitativ. Informaia pe care o obinem este dac un anumit corp este mai cald sau mai puin cald n raport cu simurile noastre. Dar simurile ne pot nelaDin acest motiv folosim instrumente de msurat temperatura, iar n funcie de temperatura msurat putem face aprecieri cantitative, n ce privete gradul de nclzire al unui corp. Referitor la cldur trebuie s mai facem precizarea c ea este cedat sau primit de sistem. n legtur cu acest fapt facem urmtoarea convenie:

8. LUCRUL MECANIC N TERMODINAMIC Interaciunea unui sistem cu mediul exterior prezint un interes deosebit n studierea diferitelor fenomene fizice. Aciunea forelor exterioare asupra sistemului poate genera dou tipuri de consecine: 1. determin deplasarea pur mecanic a sistemului fr a-i modifica starea de echilibru termodinamic, caz studiat n mecanic;

1. Q > 0, dac este primit de sistem i 2. Q < 0, dac este cedat sistem.

10

2. genereaz stri de neechilibru, sistemul urmnd s efectueze anumite transformri, pentru a gsi o nou stare de echilibru termodinamic, conform primului postulat al termodinamicii.

S considerm c asupra pistonului unui cilindru, n care am nchis o anumit mas de gaz, acioneaz din

exterior, pe direcie vertical, o for constant , Fig. 7. Considerm c fora acioneaz foarte lent, astfel nct transformarea s fie considerat cvasistatic, adic pe = pi = pf = p. Lucrul mecanic efectuat, conform definiiei, este dat de relaia: L = Fd, iar din definiia presiunii F = peS. Astfel: L = peSh = peV = p V (20) Observai c dac transformarea se desfoar invers,

dinspre Vf spre Vi lucrul mecanic este L = + p V (20) Ca i n cazul cldurii facem precizarea c lucrul mecanic L poate fi cedat sau primit de sistem. Referitor la acest fapt facem urmtoarea convenie:

Interpretarea geometric a noiunii de lucru . n Fig. 8 am reprezentat un proces termodinamic. Pentru simplitate am considerat, aa cum se vede, un proces izobar. Din punct de vedere geometric, lucrul mecanic reprezint aria unei suprafee.

PRINCIPIUL I AL TERMODINAMICII

Pentru a se evalua modificarea suferit de un sistem ca urmare a interaciunilor suferite cu mediul exterior, se introduce o mrime de stare, energia intern, U, funcie de parametri de stare ai sistemului. n cazul unui sistem care interacioneaz mecanic i termic cu mediul exterior, s-a constatat experimental:

a) energia intern a unui sistem, izolat mecanic i termic, nu se modific, indiferent dac n interiorul sistemului se produc anumite procese fizice;

b) energia intern a unui sistem se modific numai dac ntre sistem i mediul exterior exist schimb de cldur sau lucru mecanic.

Principiu I al termodinamicii: n orice transformare variaia U a energiei interne depinde doar de strile iniial i final ale sistemului, fiind independent de strile intermediare prin care trece sistemul: U = Q L (22) OBSERVAIE: Variaia energiei interne a unui sistem este egal cu suma variaiilor energiei interne

a elementelor care alctuiesc sistemul: = . Din acest motiv spunem c energia intern, ca i variaia, au proprietatea de aditivitate, sunt mrimi aditive.

Observai c, n cazul unei transformri ciclice, transformare nchis, Fig. 5d), U = 0 i rezult, n mod evident: L = Q i: dac L = 0 i Q = 0 i viceversa! Adic un sistem nu poate efectua (ceda) lucru mecanic dect dac primete vre-o form de energie, de exemplu cldur. Din acest motiv principiul I al termodinamicii se mai numete i legea transformrii i conservrii

energiei.

Acest lucru nu a fost tiut dintotdeauna de oameni. Multe sute de ani, oamenii au ncercat s construiasc maini care ar fi trebuit s efectueze lucru mecanic, fr s consume vreun fel de energiefr s consume combustibil. O main care ar funciona fr s consume vreo form de energie se numete perpetuum

mobile de spea I. Din cele enunate mai sus, deducem c:

L = p V (21

cu precizrile: 1. L > 0, dac este cedat de sistem i

2. L < 0, dac este primit sistem.

Nu se poate construi un perpetuum mobile de spea I.

11

Aceasta este o alt formulare a principiului I al termodinamicii!

Consecine ale principiului I al termodinamicii.

COEFICIENII CALORICI. Coeficienii calorici sun mrimi fizice care stabilesc dependene ntre cantitatea de cldur schimbat de sistem cu mediul exterior, Q i variaia T a temperaturii. 1. Capacitatea caloric, C reprezint cantitatea de cldur necesar unui corp pentru a-i modifica temperatura cu un grad:

(23)

[C]SI = 1J/K. OBSERVAIE: capacitatea caloric este o mrime caracteristic corpului i nu a substanei din care este alctuit. Dou corpuri, confecionate din acelai material, dar de mase diferite vor ave capaciti calorice diferite.

Cldura specific i cldura molar sunt mrimi specifice substanelor respective, sunt constante de material. n continuare vom defini aceste mrimi. 2. Cldura specific, c reprezint cantitatea de cldur necesar unui kilogram dintr-un corp pentru a-i modifica temperatura cu un grad: (24)

[c]SI = 1J/kgK. Observai c C = mc. 3. Cldura molar, C reprezint cantitatea de cldur necesar unui kilomol dintr-un corp pentru a-i modifica temperatura cu un grad: (25)

[C]SI = 1J/kmolK. innd cont i de rel. (12) C = c Cldura i lucrul mecanic sunt mri de proces, adic depind de transformarea suferit de sistem. Pentru corpurile lichide i solide, acest lucru nu este evident. Pentru gaze, cldura schimbat depinde de proces, dac schimbul se face la presiune constant, sau la volum constant. Vom avea astfel, cte o cldur specific i cldur molar la presiune constant i la volum constant, corespunztor tipului de proces la care s-a fcut schimbul, cp, Cp i cV, CV. Relaia lui Robert Mayer stabilete o relaie ntre coeficienii calorici la presiune constant i coeficienii calorici la volum constant.

Conform definiiei (25) vom avea: i

Dar conform principiului I al termodinamicii, rel. (22), Qp = U + L i QV = U, pentru c ntr-o transformare izocor L = 0. Dac inem cont i de rel. (17) rezult: Cp CV = R (26)

sau

(26) numit relaia lui Robert Mayer.

LEGILE GAZULUI IDEAL. PROCESE SIMPLE ALE GAZULUI IDEAL.

n continuare vom defini legile gazelor i vom calcula U, Q i L pentru diferite procese termodinamice simple, n cazul sistemelor nchise, sisteme care nu schimb mas cu mediul

exterior, m = const.

1. Legea transformrii izoterme, sau legea Boyle-Mariotte. Proces izoterm, t = const., T = const.: La temperatur constant, presiunea unui gaz variaz invers proporional cu volumul gazului.

(27) sau = . (27)

=

=

=

=

=

=

=.

12

Pentru o transformare izoterm, ecuaia transformrii, ntre dou stri de temperatur constant, se va scrie: p1V1 = p2V2 = const. (28)

n Fig. 9 am reprezentat grafic un proces izoterm n coordonate pV, pT i VT. Dependena grafic a

presiunii de volum, p = p(V) se

numete izoterm. Mai multe

izoterme, corespunztoare unor temperaturi constante diferite,

formeaz o familie de izoterme, Fig. 9a), unde cu T am notat

temperatura absolut, rel. (4). ntr-o transformare izoterm, conform rel. (19). U = 0 (29) Iar din formula matematic a principiului I rezult:

(30)

OBSERVAIE. Formula (30) o vom accepta ca atare, urmnd s fie explicat atunci cnd aparatul matematic ne va permite!

2. Legea transformrii izobare, sau legea Gay-Lussac. Proces izobar, p = const. La presiune constant, volumul unui gaz variaz direct proporional cu temperatura.

= ( + ) (31)

este o constant pentru toate gazele, =

, i se numete coeficientul termic de dilatare

izobar.

n Fig. 10 am reprezentat grafic un proces izobar n coordonate Vt, VT, pT i pV. Dependena grafic a volumului de temperatur, V=V(t), sau V=V(T) se numete izobar. Mai multe izobare,

corespunztoare unor presiuni constante diferite, formeaz o familie de izobare, Fig. 10a),b). innd cont de valoarea lui i rel. (4), care definete valoarea temperaturii absolute, rel. (31) se va scrie:

(32)

sau:

(33)

Ecuaia (33) reprezint, de asemenea, o ecuaie de stare, care spune c raportul dintre volum i temperatur, corespunztoare unei anumite presiuni este totdeauna constant. Pentru o transformare izobar, ecuaia transformrii, ntre dou stri de presiune constant, se va scrie:

(34)

= =

= ,

= [ +

, ( , )] =

= = .

=

= = = . ,

=

13

n transformarea izobar = (35) = = (36) = (37)

3. Legea transformrii izocore, sau legea Charles. Proces izocor, V = const.

La volum constant, presiunea unui gaz variaz direct proporional cu temperatura. = ( + ) (34)

= =

, , este o constant i se numete coeficientul termic al presiunii.

n Fig. 11 am reprezentat grafic un proces izocor n coordonate pt, pT, VT i pV. Dependena grafic a presiunii de temperatur, p=p(t), sau p=p(T) se numete izocor. Mai multe izocore,

corespunztoare unor volume de gaz constante dar diferite, formeaz o familie de izocore, Fig. 11a),b). innd cont de valoarea lui i rel. (4), care definete valoarea temperaturii absolute, rel. (34) se va scrie:

(35)

sau: (36)

Ecuaia (36) reprezint, de asemenea, o ecuaie de stare, care spune c raportul dintre presiune i temperatur, corespunztoare unui anumit volum este totdeauna constant. Pentru o transformare izocor, ecuaia transformrii, ntre dou stri de volum constant, se va scrie:

(37)

n transformarea izocor = (38) = = = (39) = (40)

4. Legea transformrii adiabatice. Proces adiabatic, Q=0, sistemul nu face schimb de energie sub

form de cldur. Ecuaia transformrii adiabatice a fost stabilit n anul 1823 de S.D. Poisson, pentru care se numete i ecuaia lui Poisson: (41)

unde (42)

Se numete indice adiabatic i trebuie calculat pentru fiecare tip de gaz n parte. Ecuaia (38) este o ecuaie de stare. Ecuaia unei transformri adiabatice se va scrie:

sau: (43)

O transformare adiabatic este o transformare suferit de un sistem nvelit adiabatic.

= [ +

, ( , )] =

= = .

=

= = = . ,

=

= .

=

=

= .

=

14

nveliul adiabatic este un nveli care nu permite schimb de cldur ntre sistem i mediul exterior. nveliul adiabatic este o idealizare fizic. El practic, NU exist. Exist situaii n care o anumit transformare se desfoar cu o vitez foarte mare, astfel nct sistemul nu are timp s fac schimb de cldur. n acest caz putem spune c sistemul a suferit o transformare adiabatic i s o studiem ca atare. n Fig. 12, am reprezentat grafic o transformarea adiabatic, n comparaie cu o transformare izoterm. Se observ c amndou transformrile se reprezint grafic prin cte o hiperbol. Transformarea izoterm este o hiperbol echilater i deci este mai

lent. Transformarea adiabatic se reprezint printr-o hiperbol mai abrupt.

5. Legea transformrii generale. Ecuaia Clapeyron Mendeleev. Transformarea general este transformarea n care toi parametri variaz. Ecuaia (17) se poate scrie: (44)

n cazul unui sistem nchis, m = const., ecuaia transformrii se va scrie:

sau (45)

Ecuaia (42) este cunoscut sub numele de ecuaia transformrii generale, sau ecuaia Clapeyron Mendeleev

CALORIMETRIE. Calorimetria se ocup cu msurarea cldurii i a cldurii specifice. La baza msurrilor calorimetrice stau urmtoare fapte experimentale, consecine ale principiului I al termodinamicii:

1. ntr-un sistem izolat alctuit din corpuri cu grade de nclzire diferite, aflate n contact termic, dup un anumit timp n sistem se stabilete echilibrul termic: toate corpurile vor avea acelai grad de nclzire, aceeai temperatur. 2. Cldura primit de un corp pentru a se nclzi cu un anumit numr de grade este egal cu cldura cedat de acelai corp pentru a se rci cu acelai numr de grade, sau, cldura primit de un corp pentru a se topi este egal cu cldura ce dat de acelai corp pentru a se solidifica, respectiv vaporizare-condensare, sublimare-

desublimare.

3. Dou corpuri, cu grade de nclzire diferite (temperaturi diferite), aflate ntr-o incint adiabatic, puse n contact termic, vor face schimb de cldur pn cnd se stabilete echilibrul termic. Corpul mai cald va ceda cldur, iar corpul mai rece va primi cldur. Cldura Q1 cedat de corpul mai cald este egal cu cldura Q2 primit de corpul mai rece:

= (46) Ecuaia (43) se numete ecuaia calorimetric. n Fig. 13 este prezentat schematic aparatul numit calorimetru, aparat cu ajutorul cruia se obin datele experimentale. Calorimetrul este construit astfel nct s permit schimbul de cldur ntre corpurile aflate n interiorul su, dar s nu permit schimbul de cldur cu exteriorul, adic s aib pereii adiabatici. Pentru msurarea cldurii i a cldurii specifice se folosesc urmtoarele metode: 1. Metoda amestecurilor, ntre corpurile cu temperaturi diferite sunt puse n contact termic va avea loc un schimb de cldur pn cnd se va atinge echilibrul termic. Temperatura final a amestecului se numete temperatur de echilibru. 2. Metoda schimbrii strii de agregare, produce schimbrii de agregare.

=

= = .

=

=

= = .

15

3. Metoda electric, cantitatea de cldur schimbat de corpuri i msurat este produs prin efect termic.

PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMODINAMICII Principiul al II-lea al termodinamicii completeaz principiul I al termodinamicii, dei, istoric vorbind, principiul al II-lea a fost enunat naintea principiului I. Pentru a explica aceast afirmaie trebuie s ne ntoarcem puin la mijlocul sec. al XIX-lea, perioada n care oamenii deveniser foarte interesai de construcia i perfecionarea motoarelor termice. Conform principiului I al termodinamicii, ntr-o transformare ciclic monoterm sistemul ar putea transforma integral cldura primit n lucru mecanic, rel. (44). Transformarea ciclic se numete monoterm deoarece schimbul de cldur se face doar ntre sistem i sursa de cldur, sursa cald. O main termic capabil s realizeze o astfel de transformare se numete perpetuum mobile de

spea a II-a. Experiena dovedete c acest lucru nu este posibil, deci:

Aceast afirmaie este o formulare a principiului al II-lea al termodinamicii! Pentru a ceda lucru mecanic, sistemul trebuie s colaboreze cel puin cu dou surse de cldur. O astfel de transformare ciclic se numete transformare ciclic biterm. Principiul al II-lea al termodinamicii constituie o generalizare a experienei, fapt pentru care exist mai multe formulri. 1. Formularea Clausius, fizician i matematician german considerat fondatorul termodinamicii:

Nu este posibil un proces ciclic prin care cldura s treac de la sine de la un corp mai rece la un corp mai cald.

2. Formularea Thomson (lord Kelvin):

ntr-o transformare ciclic monoterm sistemul nu poate ceda lucru mecanic. Dac

transformarea ciclic monoterm este i ireversibil, sistemul poate cel mult s primeasc lucru mecanic.

3. Formularea Planck-Kelvin:

Nu este posibil o transformare ciclic al crei rezultat este transformarea n lucru mecanic a

cldurii absorbit de la o surs care se afl la aceeai temperatur cu sistemul. Multitudinea de formulri ale principiului al II-lea al termodinamicii exprim tenacitatea cu care oamenii au cutat s dezvolte teorii necesare perfecionrii tehnologiilor construciei de maini. Primele maini termice construite erau maini cu un randament foarte mic. Doar o fraciune foarte mic din cldura absorbit de la surs cald era transformat n lucru mecanic util.

Principiul al II-lea al termodinamicii Principiul entropiei Pentru a se stabili sensul de evoluie al sistemelor termodinamice izolate se introduce o mrime, entropie, S, funcie de parametri de stare ai sistemului. Pentru sistemele izolate, care evolueaz reversibil entropia sistemului rmne constant:

= (47) Pentru sistemele izolate, care evolueaz ireversibil entropia crete:

> (48) n general, pentru sistemele izolate rel. (44) i (45) se pot scrie:

(49) n cazul proceselor termodinamice reversibile i izoterme, variaia entropiei este dat de relaia:

(50)

Ca i n cazul energiei interne, variaia S a entropiei unui sistem ntr-un proces izolat este egal cu suma variaiilor de entropie a elementelor care alctuiesc sistemul: = (51)

Nu se poate construi un perpetuum mobile de spea a II-a.

=

16

Ca s concluzionm: Energia intern i entropia sunt funcii de stare ale sistemului, ataate celor dou principii ale termodinamicii i au proprietatea, numit, de aditivitate. Din relaia (47) rezult i unitatea de msur pentru entropie: J/K. Dac exprimm Q din rel. (47) i-l introducem n rel. (22), expresia principiului I al termodinamicii, obinem:

= + (52) numit ecuaia fundamental a termodinamicii pentru procesele reversibile.

MAINI TERMICE. Randament i eficien. Dezvoltarea relaiilor de producie capitaliste a presupus, trecerea de la producia manufacturier la producia industrial. Capitalitii au fost primii care au neles c pentru a obine profituri ct mai mari este necesar s investeasc n proiectarea i construcia unor maini. Dac iniial mainile foloseau, pentru a funciona, energia apei, vntului sau a animalelor, inclusiv energia oamenilor, odat cu creterea produciei industriale, care ncepnd cu sec. al XVIII-lea ajunsese chiar de patru ori mai mare, aceste energii nu mai erau suficiente. Nevoia de energie i-a

obligat pe oameni s se orienteze spre alte forme de energie, cum ar fi energia termic. Istoric vorbind, acest fapt a fost sesizat nc de la nceputul relaiilor de producie capitalist, dar a devenit posibil de abia din a doua jumtate a sec. al XVIII-lea, odat cu nceputurile revoluiei industriale, perioad n care dezvoltarea tehnologiilor a fcut posibil apariia primelor motoare termice.

Motoarele termice erau necesare nu numai pentru creterea produciei industriale, dar i pentru transportul mrfurilor. Obinerea energiei mecanice din energia termic a constituit i motivul pentru care, n fizic, a aprut un nou domeniu de studiu: termodinamica.

Rolul termodinamicii este de a descoperii legile care stau la baza construciei i perfecionrii motoarelor termice.

Deoarece aceste maini au funcionare ciclic, conform principiului I al termodinamicii, rel. (22), pentru o main termic: L = Q (53)

Atenie, att L ct i Q sunt sume algebrice a mai multor termeni, pozitivi i negativi, funcie de procesul pe care l sufer sistemul termodinamic.

Motorul termic este o main termic ce realizeaz transformarea energiei termice n energie mecanic. Pompa de cldur este o main ce realizeaz transformarea energiei mecanice n energie termic. Maina frigorific este o main ce realizeaz transformarea energiei mecanice n energie termic, rcind o incint sub temperatura mediului exterior.

n Fig. 14 am prezentat diagramele de transfer energetic pentru fiecare tip de main n parte. Atenie la conveniile pe care le-am fcut n legtur cu lucrul mecanic i cldura, pag. 8! Experiena demonstreaz c un motor termic nu poate transforma integral cldura primit n

lucru mecanic, sau altfel spus, un motor termic nu poate funciona cu o singur surs de cldur.

Sistemele termodinamice, cu funcionare ciclic, care realizeaz transformarea energiei termice n energie mecanic, sau energiei mecanice n energie termic sunt numite maini termice.

17

n Fig. 14 a) am prezentat schematic schimbul de energie dintre sistem i mediul exterior, se observ c energia termic primit de sistem de la sursa cald Q1 nu se transform integral n lucru mecanic L. O parte, Q2 este cedat unui alt sistem, de ex. mediului exterior, numit i sursa rece. Adic:

= + || (54) n acest caz, rentabilitatea motorului este exprimat cu ajutorul randamentului :

(55)

sau: (56)

Pentru pompa de cldur i maina frigorific rentabilitatea este exprimat n eficien :

pentru pompa de cldur (57)

(58)

pentru maina frigorific

OBSERVAIE: 1. Eficiena unei maini termice este diferit de randament, dei este definit ca un raport de tipul util/consumat. La pompa de cldur i la maina frigorific utilul nu este o parte din consumat, Fig. 14 b), c). 2. Spre deosebire de randament, eficiena poate fi supraunitar. De exemplu, pompele de cldur pentru uz gospodresc pot atinge eficiene i de 400%.

MOTOARE TRMICE Motoare cu ardere extern, sunt motoare la care sursa de cldur este extern fluidului care sufer ciclul termodinamic.

Primul motor cu arderea extern a fost construit n sec al II-lea .e.n. de Heron din Alexandria. Invenia lui a fost privit ca o jucrie i uitat repede datorit faptului c relaiile de producie nu erau favorabile unei aplicaii n practic. n anul 1707 Denis Papin construiete o main cu vapori, folosit ca pomp pentru scoaterea apei din minele de crbuni. Principiul de funcionare era urmtorul: apa fierbea ntr-un cazan nchis iar vaporii treceau ntr-un cilindru care mpingea un piston; micarea alternativ a pistonului era comandat manual prin deschiderea i nchiderea unor robinete. Randamentul unei astfel de maini era de 1-2%! n anul 1765, scoianul James Watt perfecioneaz maina cu vapori, dndu-i forma definitiv sub care funcioneaz pn n zilele noastre. Motoare cu ardere intern, sunt motoare la care sursa de cldur este datorat unui proces de combustie suferit chiar de fluidul supus ciclului termodinamic. Motoarele cu ardere intern sunt motoarele termice cu cea mai larg rspndire. Ele au nceput s evolueze mult mai trziu datorit temperaturilor mari dezvoltate n corpul motorului(cca 2000 C). Din acest motiv dezvoltarea lor a putut fi posibil odat cu dezvoltarea metalurgiei care a ajuns s produc oeluri i aliaje capabile s reziste la aceste temperaturi. Avantajul acestora fa de turbinele cu abur este n principal c au gabarite mult mai reduse i pot fi puse n funciune imediat.

Motorul CARNOT este motorul unei maini termice ideale care funcioneaz dup un ciclul, propus n 1820 de inginerul francez Nicolas Lonard Sadi Carnot i destinat comparrii randamentului termic al diferitelor mainilor termice. Este un ciclu reversibil efectuat de o main Carnot legat la dou surse de cldur de temperaturi diferite (sursa cald, T1 i sursa rece, T2). Motorul folosete ca agent de lucru un gaz ideal. Ciclul este alctuit din dou izoterme i dou adiabate i este parcurs n sensul acelor de ceasornic, Fig. 15.

=

= ||

=||

||

=||

18

Aici este bine s facem urmtoarea remarc: dac ciclul unei

maini termice este parcurs n sensul acelor de ceasornic maina termic funcioneaz ca motor termic, iar dac ciclul

este parcurs n sens invers acelor de ceasornic, sensul trigonometric, maina funcioneaz ca pomp de cldur. Din Fig. 15 se observ c: (59)

Avnd n vedere c transformrile 2 3 i 4 1 sunt transformri adiabatice putem scrie: (57)

Din rel. (57) rezult: (60)

Astfel, randamentul motorului Carnot este dat de relaia:

(61)

i este cel mai mare randament al unei maini termice. Cum T2 este totdeauna mai mic dect T1, randamentul ciclului Carnot este totdeauna subunitar. Din relaia de mai sus se pot trage dou concluzii: 1. Randamentul ciclului Carnot nu depinde de natura fluidului de lucru.

2. Randamentul ciclului Carnot depinde doar de temperaturile celor dou surse.

Motorul OTTO n anul 1878, Nikolaus Otto, a pus la punct un motor alimentat cu combustibil lichid, (benzin) cu un

randament de 22%.

Motorul Otto este un

motor cu ardere intern, n 4 timpi, cu explozie, cu

aprindere prin scnteie. n Fig. 16 a) am prezentat principalele pri componente ale cilindrului unui motor cu

adere intern, n 4 timpi, cu aprindere prin scnteie electric precum i ciclul termodinamic al motorului

Otto.

Cilindrul Reprezint componenta n care culiseaz

pistonul. Motorul descris aici are un singur cilindru, dar majoritatea motoarelor au mai muli cilindrii (4, 6, 8 sau mai muli). n cazul motoarelor cu mai muli cilindri, acetia pot fi aranjai n linie, n V sau opui orizontal (boxer). n funcie de configuraie, difer nivelul vibraii i zgomot, costul de fabricare i caracteristicile ce le fac mai potrivite sau nu pentru anumite tipuri de autovehicule.

Pistonul Este o pies din mecanismul biel-manivel, confecionat din aliaj de aluminiu, turnat, avnd form cilindric, care culiseaz n cilindru. Segmenii Sunt inele elastice, din oel, montate pe piston n canale executate pe suprafaa cilindric exterioar a pistonului, care au urmtoarele roluri:

a) de a proteja ceilali segmeni n momentul exploziei (segment de foc) b) de etanare a jocului dintre cilindru i piston

= ||

=

= =

i = =

= i

=

=

19

c) de ungere i radere (raclare) a uleiului depus pe peretele interior a cilindrului. Bujia Pies component a unui motor cu aprindere prin scnteie care servete la aprinderea amestecului carburant n cilindru prin producerea unei scntei electrice ntre doi electrozi la un moment bine stabilit.

Supapele Au rolul de a deschide i nchide orificiile prin care se realizeaz admisia combustibilului n cilindru i evacuare gazelor arse. Supele execut o micare de translaie, fiind comandate de camele de pe axul cu came (ca n animaia alturat, unde axul cu came are culoarea verde) Camera de ardere Reprezint locul unde are loc compresia i arderea amestecului de aer cu combustibil. Camera de ardere i schimb volumul odat cu micarea pistonului, ntre PMI (punctul mort inferior) i PMS (punctul mort superior) . Capacitatea camerei de ardere, capacitatea cilindric, ofer, de obicei, o idee asupra puterii motorului. Biela Este de forma unei tije sau a unei bare. Face legtura dintre piston i arborele cotit. Ea este legat articulat la ambele capete de piston i respectiv braul arborelui cotit, astfel nct, mpreun cu arborele cotit, transform micarea alternativ de translaie a pistonului n micarea de rotaie a arborelui cotit.

Arborele cotit, sau vilbrochenul El este cel care, mpreun cu biela, transform micarea de translaie care vine de la piston, ntr-o micare circular. Timpii de funcionare, ntr-un ciclu termodinamic sunt, Fig. 16 b): 1.TIMPUL 1 ADMISIA: se deschide supapa de admisie, pistonul ncepe s coboare spre PMI, iar n

cilindru intr amestecul n carburant( aer i benzin ), 1. 2.TIMPUL 2 COMPRESIA: pistonul urc spre PMS, gazele sunt comprimate adiabatic pn la o

presiune p2, 1 2. 3.TIMPUL 3 APRINDEREA I DETENTA: cu foarte puin timp nainte ca pistonul s ajung la PMS bujia produce scnteia, amestecul ia foc, temperatura crete pn la aprox. 2000C iar presiunea aprox. 25 atm, 2 3. Pistonul este mpins jos, pn la PMI, 3 4, este timpul motor. Deplasarea rapid a pistonului nu face posibil transferul de cldur a gazelor arse ctre mediul exterior. Din aceast cauz aceast transformare poate fi considerat adiabatic. 4.TIMPUL 4 EVACUAREA : se deschide supapa de evacuare, presiunea din cilindru coboar la

presiune atmosferic, 4 1 i gazele arse sunt evacuate izobar n atmosfer cednd Q2, 1 i ciclul se repet.

Motorul DIESEL

n anul 1892, Rudolf Diesel inventeaz un motor care s utilizeze o gam larg de combustibili, inclusiv praf de crbune. Motorul a fost brevetat pe 23

febr. 1893 i prezentat la Expoziia Universal de la Paris din 1900, avnd drept combustibil uleiul de alune.

Motorul Diesel este un

motor cu ardere intern, n 4 timpi, cu explozie, cu

aprindere prin compresie.

n Fig. 17 a) am prezentat principalele prile componente ale cilindrului unui motor cu

adere intern, n 4 timpi, cu aprindere prin compresie

precum i ciclul termodinamic al motorului Diesel. Fiind tot motor cu ardere intern, cu explozie alctuirea motorului Diesel este foarte asemntoare cu cea a motorului Otto. Deosebirea apare n ce privete aprinderea i introducerea combustibilului n cilindru. Motorul Diesel nu mai are nevoie de bujie, dar are nevoie de un sistem de injecie a combustibilului n cilindru, injectorul i, n consecin, nu mai are nevoie nici de carburator. Prile componente ale motorului Diesel sunt:

20

Cilindrul Reprezint componenta n care culiseaz pistonul. Motorul descris aici are un singur cilindru, dar majoritatea motoarelor au mai muli cilindrii (4, 6, 8 sau mai muli). n cazul motoarelor cu mai muli cilindri, acetia pot fi aranjai n linie, n V sau opui orizontal (boxer). n funcie de configuraie, difer nivelul vibraii i zgomot, costul de fabricare i caracteristicile ce le fac mai potrivite sau nu pentru anumite tipuri de autovehicule.

Pistonul Este o pies din mecanismul biel-manivel, confecionat din aliaj de aluminiu, turnat, avnd form cilindric, care culiseaz n cilindru. Segmenii Sunt inele elastice, din oel, montate pe piston n canale executate pe suprafaa cilindric exterioar a pistonului, care au urmtoarele roluri:

a) de a proteja ceilali segmeni n momentul exploziei (segment de foc) b) de etanare a jocului dintre cilindru i piston c) de ungere i radere (raclare) a uleiului depus pe peretele interior a cilindrului.

Injectorul Este o supap care injecteaz carburantul la motoarele cu ardere intern, fie n canalul de admisie, ntr-o antecamer de ardere (un sistem mult rspndit pn n anii '90) sau direct n camera de ardere al motorului, dup anii 90. Supapele Au rolul de a deschide i nchide orificiile prin care se realizeaz admisia combustibilului n cilindru i evacuare gazelor arse. Supele execut o micare de translaie, fiind comandate de camele de pe axul cu came (ca n animaia alturat, unde axul cu came are culoarea verde) Camera de ardere Reprezint locul unde are loc compresia i arderea amestecului de aer cu combustibil. Camera de ardere i schimb volumul odat cu micarea pistonului, ntre PMI (punctul mort inferior) i PMS (punctul mort superior) . Capacitatea camerei de ardere, capacitatea cilindric, ofer, de obicei, o idee asupra puterii motorului. Biela Este de forma unei tije sau a unei bare. Face legtura dintre piston i arborele cotit. Ea este legat articulat la ambele capete de piston i respectiv braul arborelui cotit, astfel nct, mpreun cu arborele cotit, transform micarea alternativ de translaie a pistonului n micarea de rotaie a arborelui cotit.

Arborele cotit, sau vilbrochenul El este cel care, mpreun cu biela, transform micarea de translaie care vine de la piston, ntr-o micare circular. Timpii de funcionare, ntr-un ciclu termodinamic sunt, Fig. 17 b): 1.TIMPUL 1 ADMISIA: se deschide supapa de admisie, supapa de evacuare este nchis, iar pistonul ncepe s coboare spre PMI, iar n cilindru intr doar aer, 1. 2.TIMPUL 2 COMPRESIA: pistonul urc spre PMS. La sfritul compresiei temperatura aerului din cilindru ajunge la 700 800C, iar presiunea la 35 50atm, n funcie de tipul motorului, 1 2 . 3.TIMPUL 3 APRINDEREA I DETENTA: cnd pistonul ajunge la PMS ncepe injectarea combustibilului n cilindru, sub forma unor picturi fine. Datorit temperaturii foarte mari, superioar temperaturii de aprindere a combustibilului, acesta sufer fenomenul de autoaprindere. Procesul de ardere este izobar, deoarece arderea este lent, se face pe msur ce combustibilul este injectat, 2 3 . Timpul 3 este timp mort.

Prin ardere combustibilul produce cldura Q1. Aceasta face ca temperatura i implicit presiunea gazului s creasc i mai mult, mpingnd pistonul spre PMI. Gazele efectueaz lucru mecanic adiabatic 3 4 . 4.TIMPUL 4 EVACUAREA : cu puin timp nainte ca pistonul s ajung la PMI se deschide supapa

de evacuare, presiunea din cilindru coboar la presiune atmosferic, la volum constant, 4 1 i gazele arse sunt evacuate izobar n atmosfer eliminnd Q2, 1 i ciclul se repet. Motoarele Diesel au un randament mai mare i utilizeaz combustibili mai ieftini dect motoarele Otto, dar sunt motoare de dimensiuni mai mari. Datorit acestui fapt, motoarele Diesel au fost montate pe vapoare, locomotive i vehicule de mare tonaj. TRANSFORMRI DE FAZ.

Definiii, clasificri, precizri. Se numete faz o parte distinct a unui sistem, omogen, separat de celelalte pri ale sistemului printr-o suprafa. Faza poate fi separat de celelalte pri prin metode mecanice. O faz poate fi format dintr-un singur tip de molecule (vaporii unui lichid, un gaz, etc.) sau din mai multe tipuri de molecule dac amestecul este omogen pn la nivel molecular (soluie nesaturat de zahr n ap,

21

cositorul - o soluie solid de Cu i Zn etc.).

Aici trebuie s facem o precizare : faza nu trebuie confundat, n mod absolut, cu starea de agregare, dei starea de agregare este considerat un tip de faz. O serie de substane solide sau lichide pot exista n faze diferite, n aceeai stare de agregare. De exemplu, unele solide pot s existe sau s coexiste n faza solid amorf sau solid cristalin. Anumite substane lichide pot fi implicate n diferite fenomene sau pot avea proprieti cristaline. n funcie de faza n care se manifest o anumit proprietate, cristalele lichide se pot clasifica n: termotropice i liotropice sau nematice, smectice i colesterice. Aceste stri cristaline cu grade diferite de ordine molecular se numesc faze. De asemenea, fierul se poate gsi n diferite faze solide, n funcie de structura cristalin, carbonul are dou faze distincte, numite stri alotropice, diamantul i grafitul, care au proprieti deosebite, etc. Trecerea unei substane dintr-o faz n alt faz se numete transformare de faz sau tranziie de faz.

Exemple de transformri de faz: trecerea dintr-o stare de agregare n alta, dintr-o form cristalin n alta, din conductor n supraconductor, fluid n suprafluid dintr-o stare n care substana are proprieti feromagnetice ntr-o stare n care ea are proprieti paramagnetice, etc. Dup modul n care are loc transformarea de faz, acestea se clasifica n:

Transformri de faz de spea I transformri care se produc la o anumit temperatur, cu absorbie sau cedare de cldur numit cldur latent. Din acest tip fac parte transformrile de stare de agregare: vaporizarea-condensarea, topirea-solidificarea, sublimarea-desublimarea, transformrile polimorfe etc.

Transformrile de faz de spea a II-a transformri care se produc pe un anumit interval de temperatur, n care absorbia sau degajarea de cldur are loc odat cu creterea sau scderea temperaturii. Transformrile de faz de spea a II-a sunt legate de fenomenele de ordonare n cristale. Astfel, n zona de temperatur unde are loc transformarea sunt n contact dou faze cristaline, una dezordonat, stabil la temperatura mai nalt i alta mai ordonat, stabil la temperatur mai mic. Din aceast categorie fac parte tranziiile de conformaionale, care au loc n cristalele lichide, conductor-supraconductor, fluid-suprafluid, etc.

n continuare voi prezenta transformrile de faz de spea I transformrile de stare de agregare: transformrile solid-lichid, lichid-vapori, vapori-solid.

Vaporizarea i condensarea Trecerea unei substane din faza lichid n faza de vapori se numete vaporizare. Exist mai multe modaliti de vaporizare a unui lichid n funcie de condiiile: vaporizare n vid, n atmosfer gazoas, la suprafaa lichidului i vaporizarea n toat masa lichidului. Cantitatea de cldur necesar pentru a vaporiza la temperatur constant o unitate de mas dintr-un lichid se numete cldur latent specific de vaporizare, egal cu cldura latent specific de condensare :

unde (62)

VAPORIZAREA N VID Dac introducem cantiti mici dintr-un lichid (de exemplu eter) ntr-o camer barometric, (Fig.18) se constat c vaporizarea n vid se face instantaneu, iar presiunea n camera barometric crete (nlimea coloanei de mercur scade) pn cnd, la un moment dat, lichidul rmne deasupra mercurului fr s se mai evapore. Din acest moment presiunea vaporilor de eter rmne constant, nlimea coloanei de mercur nu se mai modific, iar lichidul care ajunge n camera barometric nu se mai vaporizeaz. Spunem n acest caz c vaporii sunt saturai, iar despre presiunea vaporilor c este presiunea vaporilor saturai. Experimentele au artat c vaporii saturai au o serie de proprieti:

Presiunea vaporilor saturani la o temperatur dat reprezint presiunea de echilibru (dinamic) care se exercit asupra suprafeei unui lichid n contact cu vaporii si.

Presiunea vaporilor saturani este mai mare dect presiunea vaporilor nesaturai la o temperatur dat. De aceea, ea mai este numit presiune maxim, pm.

= =

[] =

22

Presiunea vaporilor saturani nu depinde nici de cantitatea fazei lichide, nici de cantitatea de vapori.

Presiunea vaporilor saturani depinde de temperatura natura i de lichidului (a vaporilor). VAPORIZAREA N ATMOSFER GAZOAS Dac vaporizarea unui lichid se face ntr-un vas nchis n care se gsete un gaz se constat c aceasta se face mai lent dect n vid i presiunea vaporilor saturani are aceeai valoare ca i atunci cnd vaporizarea s-ar fi fcut n vid.

Presiunea total a amestecului este egal cu suma presiunilor pariale ale gazului i vaporilor. EVAPORAREA

Vaporizarea unui lichid prin suprafaa sa liber, ntr-o atmosfer nelimitat se numete evaporare. Procesul de evaporare are loc nentrerupt, presiunea vaporilor tinznd spre presiunea de saturaie, pe care de fapt nu o atinge, moleculele lichidului migrnd nentrerupt spre straturile superioare ale atmosferei.

Viteza de evaporare este dat de expresia:

(63)

unde K este o constant care depinde de unitile de msur alese, de natura substaneietc. De exemplu: k poate depinde de viteza vntului. Cele trei procese prezentate au loc la orice temperatur, neavnd loc la anumite temperaturi aa cum au loc alte tranziii de faz. Dac mediul ambiant este saturat cu vapori (p=pm), evaporarea nu are loc (v=0). Evaporarea n vid

(p0=0) se face instantaneu (v). Pentru ca evaporarea s aib loc, trebuie ca ppm, deoarece n caz contrar lichidul ncepe s fiarb. Lichidele care au vitez mare de evaporare se numesc volatile, acestea avnd valori mari ale presiunii vaporilor saturani (pm f. mare). Deoarece presiunea vaporilor saturani crete cu temperatura, rezult c evaporarea se intensific odat cu nclzirea lichidului. FIERBEREA LICHIDELOR

Fierberea reprezint procesul de vaporizare n tot volumul lichidului. n acest proces un rol deosebit l joac bulele de gaz care se formeaz pe impuritile solide aflate n lichid, sau pe pereii vasului care conine lichidul. Condiia care trebuie ndeplinit pentru ca fierberea s aib loc este ca presiunea vaporilor saturani ai lichidului s devin cel puin egal cu presiunea exercitat din exterior

deasupra lichidului: .. (64) Aceast condiie se poate realiza n diverse moduri. Dac presiunea pext. este constant, prin ridicarea temperaturii crete pm i prin ndeplinirea relaiei (62) lichidul ncepe s fiarb. O alt metod ar fi prin coborrea presiunii exterioare pext., meninnd temperatura constant. De exemplu, dac ntr-un vas cu ap se evacueaz aerul, apa ncepe s fiarb chiar i la temperatura camerei. Desigur c apa care fierbe la presiune sczut nu posed proprietile obinuite ale apei fierte la presiunea atmosferic. Fierberea are loc dup urmtoarele legi:

1. Temperatura la care fierbe un lichid, numit temperatur de fierbere, se menine constant n timpul procesului i depinde de presiunea exterioar.

2. Temperatura de fierbere depinde de natura lichidului i este o constant de material. De ex. la

p0=736 torr, tfierbere pentru cteva substane are valorile: Al18000C,

Cu23000C, apa1000C. Trebuie specificat c pentru a avea loc fierberea lichidelor este indispensabil prezena bulelor de gaz, care o mijlocesc. Dac ntr-un lichid lipsesc bule de gaz, lichidul poate s nu fiarb, chiar dac este nclzit pn la temperatura de fierbere corespunztoare unei anumite presiuni. Un astfel de lichid se numete supranclzit. Dac n el se introduc mici particule solide, impuriti, care s permit formarea bulelor de gaz, lichidul ncepe s

fiarb violent, iar temperatura lui coboar la temperatura de fierbere. n fig. 19 am reprezentat

= ( )

23

diagrama pT a tranziiei de faz gaz-lichid Deoarece rel. (15), p = nkT, se poate aplica i unui sistem de vapori saturai, se observ c p crete odat cu creterea temperaturii, ct i datorit creterii concentraiei n, care crete i el odat cu temperatura. Rezult, astfel o cretere a presiunii vaporilor saturai mai rapid dect o funcie de gradul I, fig. 19. Se observ c dependena pm = p(T) este delimitat la cele dou capete de dou puncte: punctul triplu (t), i punctul critic (C), puncte a cror semnificaie fizic o vom prezenta mai trziu. Oricrui punct de pe curba tC i corespunde starea de echilibru lichid-vapori. Trecerea de la o faz la alta se poate face prin variaia temperaturii, la presiune constant, sau prin variaia presiunii la temperatur constant. S stabilim acum i diferena dintre gaz i vapori:

Prin vapori se nelege faza gazoas aflat la temperaturi mai mici dect TC, att sub form de vapori saturani, ct i nesaturai.

Prin gaz se nelege acea stare a substanei care are temperatura mai mare dect temperatura critic.

LICHEFIEREA GAZELOR. Numim lichefiere transformarea prin comprimare a vaporilor unei substane n lichid. Este, ntr-un

fel, un fenomen invers fenomenului de vaporizare.

Primele ncercri de a lichefia un gaz dateaz nc de la sfritul secolului al XVIII-lea, cnd s-a reuit s se lichefieze dioxidul de sulf prin rcire, respectiv numai prin supunerea lui la presiune

ridicat. Temperaturile la care se lucreaz n vederea lichefierii depind de natura gazului. Unele gaze se lichefiaz numai la temperaturi foarte coborte, cum ar fi heliul, hidrogenul, oxigenul, altele la temperaturi

obinuite (CO2). Andrews a studiat compresibilitatea gazelor n procesul de lichefiere izoterm la diferite

temperaturi pentru CO2, etilen etc. La comprimarea unui gaz, distana dintre molecule scade, interaciunile lor devenind mai intense. Apare astfel posibilitatea ca forele de atracie dintre molecule s determine trecerea substanei din starea gazoas n starea lichid. Pe lng tendina de apropiere datorat forelor intermoleculare, ntr-un gaz exist i tendina de mprtiere a moleculelor, datorit agitaiei termice. La nceputul secolului al XIX-lea, Michael Faraday a putut lichefia dioxidul de carbon, acidul bromhidric, acidul iodhidric, fluorura de siliciu utiliznd concomitent presiunea i rcirea. n anul 1869 chimistul irlandez Thomas Andrews a reuit s lichefieze dioxidul de carbon, msurnd presiunea n funcie de volum, n timpul lichefierii obinnd aa numitele izotermele lui Andrews. ntr-un cilindru cu piston nchidem o mas de gaz la o anumit temperatur. Gazul va fi supus unui proces de comprimare izoterm, reprezentat n Fig. 20. S urmrim comportarea gazului n procesul de comprimare izoterm urmrind izoterma T1.

Observm c la nceput, poriunea 1 , comprimarea gazului determin creterea presiunii, conform legii Boyle-Mariotte. Gazul se comport ca un gaz ideal. n punctul A volumul este VA i presiunea pA, iar n cilindru apar primii stropi de lichid. Continund s comprimm gazul, , presiunea rmne i ea constant, dar crete cantitatea de lichid din cilindru, n detrimentul cantitii de gaz. n punctul B volumul este VB i presiunea pB = pA, iar n cilindru tot gazul s-a transformat n lichid. Continund s comprimm sistemul, observm c pentru a obine variaii mici de volum sunt necesare variaii mari de presiune, 2. Normal, lichidele sunt practic incompresibile! Palierul AB, al izotermei T1 se numete palierul de coexisten al fazelor, iar lungimea lui scade odat cu creterea temperaturii izotermei, Fig. 20. Exist o temperatur, numit temperatur critic, TC, pentru care palierul de coexisten al fazelor

24

se reduce la un punct: punctul C. Cnd gazul atinge parametri critici (pC, VC, TC) tranziia lichid gaz se face brusc.

Dac comprimm izoterm gazul la o temperatur T > TC, gazul nu se mai lichefiaz, comprimarea izoterm respectnd legea Boyle-Mariotte. Exist o serie de gaze a cror temperaturi critice sunt destul de ridicate n raport cu temperaturile obinuite (Cl2:144

0C, CO2:31.1

0C) i deci, prin simpl comprimare pot fi lichefiate.

Exist ns unele gaze cu temperaturi critice sczute (O2:-118,80C, N2:-267,9

0C, H2:-239,9

0C). Pentru

a lichefia astfel de gaze, ele trebuiesc mai nti rcite sub TC i apoi comprimate. TOPIREA I SOLIDIFICAREA Procesul de trecere a unui corp din faz solid n faz lichid se numete topire. Procesul invers se numete solidificare. Topirea i solidificarea sunt procese termodinamice care se produc ca urmare a acceptrii sau cedrii de cldur latent de topire, egal cu cldura latent specific de solidificare:

(65)

Din punct de vedere a structurii lor, corpurile solide se mpart n dou categorii: amorfe i cristaline. Topirea corpurilor amorfe (sticla, ceara, smoala) nu are loc la o temperatur constant, ci pe un interval de temperatur. Mai nti corpul se nmoaie, apoi devine o past vscoas, ca n final, la o

temperatur mai mare, s devin lichid cu vscozitate mic. La topirea corpurilor cristaline se constat c temperatura rmne constant, dac presiunea nu se modific. Temperatura de topire Tt este constant de material. n Fig. 21 am reprezentat diagrama tranziiei de faz solid-lichid. n cazul corpurilor solide cristaline deosebim dou cazuri:

1. Corpuri care prin topire i mresc volumul, iar temperatura de topire tt crete odat cu creterea

presiunii exterioare, situaie ntlnit la majoritatea corpurilor (Fig. 21 a). 2. Corpuri care prin topire i micoreaz volumul, iar temperatura de topire tt scade cu creterea

presiunii exterioare Din aceast categorie face parte gheaa, bismutul, fonta, galiul, etc. (Fig. 21 b). Curbele din Fig. 21 se numesc curbe de topire. Toate punctele de pe aceste curbe reprezint stri de echilibru n care coexist faza lichid cu faza solid. Pentru ca un lichid s se solidifice este necesar ca n lichid s existe anumii centri de cristalizare ca impuriti, bule de gaz, sau mici cristalite n jurul crora s nceap formarea reelei cristaline. Dac lichidul este bine purificat, el poate fi suprarcit fr s se solidifice. n aceast stare este ns instabil i orice factor care intervine poate s determine cristalizarea. De obicei, structura obinut este policristalin, iar n condiii speciale se pot obine monocristale.

SUBLIMAREA I DESUBLIMAREA Trecerea substanei din starea solid direct n starea de vapori se numete sublimare, iar procesul invers, desublimare. De exemplu, naftalina,

camforul, iodul, sulful, bromul, la temperaturi i presiuni obinuite se vaporizeaz fr a se topi. n principiu, orice substan poate sublima, doar c la unele presiunea de vapori este mic. Dac vaporii provenii din procesul de sublimare sunt n echilibru dinamic cu solidul din care au provenit, ei se numesc vapori saturai. n Fig. 22 am reprezentat diagrama pT a tranziiei de faz solid-vapori. Fiecare punct de pe aceast curb reprezint o stare bifazic solid-vapori.

Curba este limitat la un capt de punctul triplu t i la cellalt tinde spre 0K. Fenomenul de sublimare are loc numai dac lipsete faza lichid, deci la presiuni mai mici dect pt. De exemplu, naftalina are punctul triplu la o temperatur mai mare dect temperatura obinuit (200C) i de aceea n condiiile p0 = patm. i t=20

0C ea sublimeaz. Dac temperatura crete, ea se va topi i apoi se va evapora.

= =

25

Sublimarea i desublimarea sunt procese termodinamice care se produc ca urmare a acceptrii sau cedrii de cldur latent specific de sublimare, egal cu cldura latent specific de desublimare:

(66)

DIAGRAMA DE ECHILIBRU A UNEI SUBSTANTE. PUNCTUL TRIPLU.

Punctul de intersecie al diagramelor pT al tranziiilor de faz lichid-vapori, solid-lichid, solid-vapori ale unei substane se numete punctul triplu al substanei respective. n acest punct coexist cele trei stri de agregare. n Fig. 23 am prezentat diagrama de echilibru a fazelor pentru cele dou categorii de substane: Fig. 23 a) substane care prin topire i mresc volumul i Fig. 23 b) substane care prin topire i micoreaz volumul. Majoritatea substanelor au doar o singur faz

solid, una lichid i una gazoas. Exist ns substane care n stare solid pot prezenta structuri cristaline diferite, adic mai multe faze corespunztoare aceleiai stri de agregare. O asemenea substan are mai multe puncte triple i se numete substan polimorf. Trecerea unei substane dintr-o form cristalin n alta se numete transformare polimorf, care este o tot o tranziie de faz de ordinul I.

Comportarea substanelor n condiii obinuite de temperatur i presiune, depinde de cum este valoarea presiunii pt n punctul triplu fa de presiunea normal p0:

Dac ptp0, atunci, nclzind substana, ea trece direct din faza solid n faza de vapori. Punctele triple ale unor substane au fost alese ca repere pentru realizarea unor scri de termometrice. Astfel, punctul triplu al apei (Tt=273,16K i pt=4,58 torr) a fost ales ca punct fix al scrii fundamentale de temperatur.

ACTIVITI DE FIXARE A CUNOTINELOR I DE EVALUARE A. Formulai rspunsuri pentru urmtoarele ntrebri: 1. Ce este un fenomen termic?

2. Ce nelegei prin agitaie termic?

3. Ce este kilomolul?

4. Ce este o lege statistic?

5. Ce sunt mrimile statistice? Exemple.

6. Enunai min. 3 proprieti ale unui gaz pentru a fi considerat gaz ideal.

7. Ce este gradul de libertate?

8. Enunai primul postulat al termodinamicii.

9. Enunai postulatul al II-lea al termodinamicii, (oricare formulare).

10. Mrimea fizic temperatur empiric. Definiie, simbol, unitate de msur.

11. Ce se nelege prin sintagma a msura temperatura?

12. Descriei, pe scurt, construcia i funcionarea termometrului.

13. Enunai teorema echipartiiei energiei dup gradele de libertate.

14. Scriei formula fundamental a teoriei cinetico-moleculare, preciznd semnificaia i unitatea

de msur a fiecrei mrimi.

15. Scriei formula ecuaiei termice de stare, preciznd semnificaia i unitatea de msur a fiecrei

mrimi.

= = + =

26

16. Scriei formula ecuaiei calorice de stare, preciznd semnificaia i unitatea de msur a fiecrei

mrimi.

17. Definii mrimea fizic temperatura (unui gaz) din punct de vedere cinetico-molecular.

18. Definii mrimea fizic presiunea (unui gaz) din punct de vedere cinetico-molecular.

19. Ce este un sistem? Clasificare, exemple.

20. Ce sunt parametri de stare? Clasificare, exemple.

21. Mrimea fizic energia intern. Definiie, simbol, unitate de msur.

22. Lucrul mecanic n termodinamic. Definiie, simbol, unitate de msur. Convenie: lucrul

mecanic primit de sistem, lucrul mecanic cedat de sistem.

23. Cldura, mrime fizic. Definiie, simbol, unitate de msur. Convenie: cldura primit de

sistem, cldura cedat de sistem.

24. Ce este caloria?

25. Principiul I al termodinamicii. Definiie, formulare matematic.

26. Ce sunt coeficienii calorici? Exemple.

27. Ce este un perpetuum mobile de spea I?

28. Enunai principiul al II-lea al termodinamicii, (oricare formulare).

29. Ce este un perpetuum mobile de spea a II-a?

30. Ce este o main termic? Exemple.

31. Ce este un motor termic? Exemple.

32. Ce este motorul Carnot?

33. Ce este o faz termodinamic? Exemple.

34. Ce se numete transformare de faz? Exemple.

35. Ce este cldura latent specific de transformare de faz? Definiie, simbol, unitate d msur.

36. Cum se numete vaporizarea n toat masa lichidului? Descriei n 2-3 fraze fenomenul.

37. Cum se numete vaporizarea n atmosfer nelimitat? Exemplu.

38. Ce este presiunea maxim a vaporilor saturai? 39. Ce este temperatura critic, TC?

40. Ce este punctul triplu al substanei?

BIBLIOGRAFIE:

1. Fizic manual pentru clasa a X-a S. Talpalaru, D. Haralamb, C. Corega, G. Negrea, C. Rus, Editura Polirom, Iai, 2000-2003

2. Fizic manual pentru clasa a X-a D. Boran, A. Costescu, M. Petrescu-Prahova, M. Sandu, Editura Didactic i Pedagogic, R.A. BUCURETI.

3. http://www.slideboom.com/presentations/441443/TERMODINAMICA 4. http://en.wikipedia.org/wiki 5. http://www.google.ro/ 6. http://motoaretermicenat.weebly.com/scurt-istoric.html 7. http://www.scritub.com/stiinta/chimie/TRANSFORMARI-DE-STARE-DE-

AGREG64216172.php

8. https://laurmb10cwiki.wikispaces.com/file/detail/Transformari%20de%20Faza-Dragomir%20Alina.doc