Termotehnică și Mașini Termice

1. Notiuni introductive

Termotehnica – ramura de stiinta care se ocupa cu studiul teoriei si mijloacelor de transfer a energiei termice, obtinerea ei precum si transformarea acestei energii în alte forme de energie (de exemplu mecanica).

În 1894 Carnot defineste termodinamica drept forta motoare a caldurii. Termodinamica este o ramura a fizicii caare se ocupa cu studiul fenomenelor în care variatia temperaturii joaca un rol primordial. Aceste fenomene implica miscarea termica a materiei – miscarea browniana intensificata de cresterea temperaturii – si transformarea energiei dintr-o forma în alta.

Masinile termice sunt acele masini care transforma o forma de energie în alta ca o aplicatie practica a proceselor termodinamice. În general, termenul de masina implica un sistem format din mai multe corpuri, care au miscari determinate unele fata de celelalte, utilizat pentru transformarea energiei dintr-o forma în alta dintre care una este energie mecanica.

Sisteme termodinamice – totalitatea corpurilor care interactioneaza din punct de vedere termic si mecanic atât între ele cât si cu mediiul exterior. Sistemul termodinamic este un sistem material – continuu – care schimba energie sub forma de lucru mecanic si caldura. Sistemele pot sa fie: a) închise care la rândul lor sunt sisteme izolate sau neizolate si b) sisteme deschise.

Sistemul închis este cel care nu schimba materie cu exteriorul, iar sistemul izolat este acela care nu are schimb de energie termica cu exteriorul. La sistemele neizolate apare o interactiune cu mediul înconjurator prin cedare si captare de energie termica.

Sistemul omogen este acela care are o distributie uniforma a proprietatilor în tot spatiul ocupat de mediul continuu – de exemplu densitatea, temperatura etc.

Sistemul eterogen este acel mediu continuu la care distributia proprietatilor nu mai este uniforma în tot domeniul.

Stare termodinamica reprezinta starea unui sistem definita prin marimile macroscopice la un moment dat – ansamblul valorilor temperaturii T, a volumului V, presiunii p si masei m a corpului.

Marimile de stare se refera la starea termodinamica a unui corp. Parametri de stare folositi în termodinamica sunt:

a) fizici: temperatura T, volumul V, presiunea p;

b) calorici: energie interna, entalpie si entropie.

Orice stare macroscopica este rezultatul starilor microscopice dependente de miscarile globale, haotice ale moleculelor, atomilor în cadrul miscarii browniene – denumita agitatie termica. Starea microscopica se poate schimba fara ca acest fapt sa se reflecte în starea macroscopica. Apare astfel notiunea de probabilitate termodinamica. Probabilitatea termodinamica se refera la probabilitatea de realizare a unei stari microscopice care se reflecta la un moment dat într-o stare macroscopica.

Starea de echilibru – se realizeaza atunci când conditiile exterioare sunt constante si se caracterizeaza prin repartizarea uniforma a presiunii, temperaturii si densitatii în toate punctele unui sistem, temperatura si presiunea fiind identice cu cele ale mediului ambiant.

Starea de echilibru termodinamica este starea de echilibru în care nu se realizeaza schimb de energie între partile componente ale unui sistem, iar starea sistemului ramâne constanta în timp. Modificarea conditiilor exterioare va produce întotdeauna modificarea starii sistemului. De aceea în interiorul unui sistem se va produce un schimb de energie pentru restabilirea repartizarii uniforme a parametrilor respectivi.

Timp de relaxare – timpul necesar restabilirii repartitiei uniforme a parametrilor de stare; acest timp este dependent de starea si natura corpului.

Transformarea termodinamica – trecerea sistemului de la o stare termodinamica la alta. Dupa modul cum se parcurge transformarea acestea pot fi:

a) reversibile – transformarea se realizeaza spontan în ambele sensuri cu parcurgerea acelorasi stari intermediare care întotdeauna sunt stari de echilibru;

b) ireversibile – transformarea se realizeaza într-un singur sens cu modificarea parametrilor de stare.

În masinile termice agentul de lucru este un gaz. Dupa modul cum se considera comportarea lor gazele sunt perfecte sau reale. De cele mai multe ori, pentru simplitate, gazele se considera perfecte.

Gazul perfect – este format din molecule sferice, perfect elastice, lipsit de forte de coeziune moleculara,cu molecule monoatomice în miscare de translatie si cu distributia ciocnirilor dintre molecule stationara. În general, legile stabilite pentru gazele perfecte dau rezultate satisfacatoare în calculele termodinamice pentru domeniul presiunilor si temperaturilor scazute si medii. Pentru gazul perfect 1 kmol are întotdeauna numarul de molecule dat de Avogadro NA = 6,023•1026 molecule/kmol.

Pentru gazl perfect este valabila legea (1)

unde VN este volumul molar normal, iar k este constanta lui Boltzman.

Deoarece volumul molar la o presiune si temperatura data nu depinde de natura gaului s epoate scrie legea (2) în care Rm este constanta gazelor perfecte cu valoare unica pentru toate gazele.

Starea normala fizica a uni gaz este definita prin valorile pN = p0 = 760 mmHg = 1 At = 101325 N/m2, tN = t0 = 00 C. În aceste conditii de presiune si temperatura 1 kmol din orice gaz perfect ocupa un volum egal cu volumul molar normal VN = 22,414 Nm3/kmol. Cu aceste valori rezulta constanta gazelor perfecte Rm= 8315 J/kmol si grad Kelvin. Ea reprezinta lucrul mecanic pe care-l efectueaza un kmol de gaz în cursul careia temperatura variaza cu un grad Kelvin.