Termotehnică

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

1.1. CONSIDERAŢII GENERALE. TERMINOLOGIE

Termodinamica este ştiinţa despre energie în sensul cel mai larg al cuvântului. Obiectul ei este studiul mişcării termice şi interdependenţa cu alte forme de mişcare ale materiei.

Această ştiinţă cuprinde :

• Termodinamica fizică: studiază bazele teoretice generale, axiomatica şi sistematica termodinamicii;

• Termodinamica chimică: studiază efectul termic al reacaţiilor chimice;

• Termodinamica tehnică: elaborează teoria maşinii termice, prin studierea proceselor de transformare reciprocă a căldurii şi a lucrului mecanic.

Transferul de căldură este ştiinţa proceselor spontane ireversibile ale propagării căldurii în spaţiu şi reprezintă schimbul de energie termică între două corpuri, două regiuni ale aceluiaşi corp, două fluide, ca rezultat al unei diferenţe de temperatură dintre acestea.

Transferul de masă este ştiinţa proceselor naturale ireversibile de echilibrare a concentraţiei unui sistem alcătuit din unul sau mai mulţi componenţi, prin transportul masei din zonele cu concentraţii mai ridicate către cele cu concentraţii mai reduse.

1.2. NOŢIUNI GENERALE

1.2.1. Sistem termodinamic

Prin sistem termodinamic se înţelege un corp, un grup de corpuri sau o parte a unui corp delimitat(ă) de restul corpurilor care îl(o) înconjoară printr-o suprafaţă de control (reală sau imaginară) prin care sistemul poate să efectueze un schimb de energie (sub formă de căldură, Q, şi/sau de lucru mecanic, L) şi/sau de substanţă, m. Celelalte corpuri, ce sunt în afara suprafeţei de control, se consideră a fi mediul exterior sau mediul ambiant.

Clasificarea sistemelor termodinamice se face după felul în care acesta efectuează sau nu schimb de energie şi/sau de substanţă cu mediul exterior şi se poate urmări, sintetic, în figura 1.

Fig.1 Clasificarea sistemelor termodinamice

1.2.2. Stare. Parametri de stare

Starea unui sistem termodinamic reprezintă totalitatea proprietăţilor macroscopice ce pot fi evidenţiate la un moment dat. Mărimile acestor proprietăţi definesc parametrii de stare. Dacă parametrii de stare sunt constanţi în timp, starea sistemului este o stare de echilibru termodinamic. Parametrii de stare care descriu o stare de echilibru termodinamic se numesc parametri termodinamici. Ei pot fi independenţi de cantitatea de substanţă - în care caz se numesc intensivi (temperatura, presiunea, etc.) - sau dependenţi de masă - în care caz se numesc extensivi (volumul, entalpia, entropia, etc.).

Parametrii de stare ce pot fi determinaţi prin măsurători sunt independenţi şi se numesc parametri fundamentali de stare iar cei dependenţi de aceştia se numesc parametri derivaţi de stare.

Numărul parametrilor independenţi necesari determinării unei stări, în absenţa forţelor exterioare, este dat de relaţia lui Gibbs:

v = 2 + k + f (1.1)

în care:

v este numărul parametrilor independenţi;

k - numărul componenţilor sistemului;

f - numărul fazelor.

Parametrii dependenţi ai sistemului se determină în baza unor legităţi fizice, în funcţie de cei independenţi.

Expresiile matematice ale acestor legi fizice, care exprimă legătura între parametrii de stare dependenţi şi cei independenţi, definesc ecuaţiile de stare ale sistemului. Aceste ecuaţii pot fi exprimate sub formă:

- implicită: f(p,v,T) = 0 sau

- explicită: v = f(p,T),

în care v este volumul specific, p - presiunea şi T - temperatura.

Mărimile sau funcţiile de stare caracterizează starea de echilibru a sistemului termodinamic şi admit diferenţială totală exactă. O mărime de stare, spre exemplu V(p,T), are următoarele proprietăţi:

1. Este diferenţiabilă:

(1.2)

2. Derivatele parţiale de ordinul doi, mixte, nu depind de ordinea de derivare:

(1.3)

3. Este integrabilă atât pe o transformare deschisă cât şi pe una închisă (ciclică), conform regulilor de integrare a funcţiilor ce admit diferenţială totală exactă:

(1.4)