Termotehnică

1 Introducere IntroducereIntroducere Introducere

Termotehnica este unul dintre capitolele fundamentale ale fizicii, fiind considerată ştiinţa energiei sub forma cea mai generală, dar care studiază utilizarea căldurii în scopuri industriale sau casnice.

Istoria termotehnicii începe odată cu descoperirea focului, a conştientizării senzaţiei de cald sau rece, a utilizării focului pentru prepararea hranei, pentru încălzire etc.

Termotehnica provine din prescurtarea expresiei termodinamică tehnică, fiind totodată o disciplină fundamentală pentru toate ramurile tehnicii.

Termotehnica studiază:

- mişcarea moleculară din interiorul corpurilor,

- fenomenele determinate de acţiunea particulelor elementare constitutive ale corpurilor,

- proprietăţile termice ale materiei,

- diferitele forme de manifestare a energiei,

- legile, principiile, precum şi mijloacele de producere, transformare, transmitere şi utilizare a energiei sub formă de căldură şi lucru mecanic în maşini şi instalaţii termice.

2 Sistem Sistemul termodinamic termodinamictermodinamictermodinamic termodinamictermodinamic

Sistemul termodinamic se defineşte ca fiind format dintr-o cantitate de substanţă sau un amestec de substanţe precis delimitat în spaţiu şi care se studiază din punct de vedere al schimbului de energie (sub formă de căldură Q şi/sau lucru mecanic L) cu mediul exterior (ambiant).

Termotehnica are ca obiect de studiu sisteme termodinamice macroscopice, caracterizate prin dimensiuni finite, mult mai mari în comparatie cu microstructura materiei şi în acelaşi timp, mult mai mici decât structurile infinite ale universului.

Mediul exterior sau mediul ambiant reprezintă totalitatea corpurilor din apropierea sistemului termodinamic cu care acesta poate interacţiona. În general, sistemul termodinamic interacţionează cu mediul exterior prin schimb de substanţă şi de energie.

Adesea sistemul este format dintr-un corp numit corp termodinamic, de exemplu un gaz, un lichid, o soluţie, un solid oarecare. Cel mai simplu sistem este format dintr-o singură substanţă, având o singură fază, nu este supus acţiunii unor câmpuri de forţe exterioare (electrice sau magnetice) şi nici unor efecte capilare. Sistemul termodinamic se poate afla în mişcare sau în repaus. Delimitarea în spaţiu a sistemului termodinamic (figura 1) se face cu ajutorul suprafeţelor de control, care pot fi suprafeţe reale sau virtuale.

Figura 1 Elementele unui sistem termodinamic

Exemplu: Aerul dintr-o încăpere reprezintă un sistem termodinamic. Acest sistem este delimitat de elementele de construcţie ale clădirii (pereţi, tavan, pardoseală, etc.), care reprezintă graniţele reale ale sistemului considerat. Aerul din încăpere se află în interacţiune cu sisteme termodinamice vecine, reprezentate de încăperile alăturate sau aerul atmosferic exterior clădirii. În timpul sezonului rece, între sistemul termodinamic considerat şi aerul atmosferic exterior (aflat la temperaturi scăzute), are loc o interacţiune de tip transfer de energie sub formă de căldură.

Clasificarea sistemelor termodinamice (figura 2) se poate realiza în funcţie de modul de interacţiune cu mediul exterior sau după structura sistemului.

Figura 2 Clasificarea sistemelor termodinamice

Sistemul termodinamic închis este caracterizat prin faptul că nu schimbă substanţă cu mediul exterior, adică masa sistemului rămâne constantă în timp şi realizează numai schimb de energie (sub formă de lucru mecanic sau căldură) cu mediul exterior.

Exemplu: Gazul aflat într-un cilindru, în interiorul căruia se deplasează etanş şi fără frecare un piston (figura 3). Datorită deplasării pistonului într-un sens sau în celalalt, gazul aflat în cilindru schimbă cu mediul exterior energie sub formă de lucru mecanic. Deoarece pereţii cilindrului, care reprezintă graniţele sistemului termodinamic, nu sunt izolaţi termic, este de asemenea posibil transferul de energie sub formă de căldură între gaz şi mediul exterior.

Figura 3 Exemplu de sistem termodinamic închis

Sistemul termodinamic deschis se caracterizează prin faptul că schimbă atât energie cât şi masă cu mediul exterior.

Exemplu: Un fluid (lichid sau gaz) care curge printr-o conductă (figura 4).

Figura 4 Exemplu de sistem termodinamic deschis

Graniţele imaginare ale sistemului termodinamic, reprezentate de cele două sectiuni transversale, permit transferul de masă între sistemul termodinamic şi mediul exterior. Între fluidul considerat şi mediul exterior poate avea loc un transfer de căldură, al cărui sens depinde de raportul în care se află temperatura sistemului termodinamic cu temperatura mediului exterior, dar nu are loc transfer de lucru mecanic.

Alte exemple de sisteme termodinamice deschise: rezervoare deschise, maşini generatoare (compresoare, pompe), maşini motoare cu piston sau turbo, schimbătoare de căldură, ventile de laminare. Masa acestor sisteme se poate modifica în timp, dacă debitul masic al fluidului la intrare diferă de cel de la ieşire.

Sistemul termodinamic adiabatic este caracterizat de faptul că nu schimbă cu mediul exterior energie sub formă de căldură, ci numai lucru mecanic. În practică, acestea se obţin printr-o izolaţie termică foarte bună şi o viteză mare de desfăşurare a proceselor termodinamice, de exemplu la destinderea aburului în turbine, la procesul teoretic de comprimare şi destindere în motoarele cu ardere internă cu piston, etc.

Exemplu: Gazul aflat într-un cilindru izolat termic, în interiorul căruia se deplasează etanş şi fără frecare un piston (figura 5). Diferenţa dintre acest sistem şi sistemul termodinamic închis, prezentat anterior, este prezenţa izolaţiei termice, care face imposibil schimbul de căldură cu mediul exterior.