Termotehnică în construcții

CURS 1

TERMOTEHNICĂ

Istoric. Noțiuni utile

În fizica aristoteliană căldura era considerată una dintre caracteristicile active ale unui corp. Astfel, ”fierbințeala” împreună cu opusul său ”răceala” și uscăciunea împreună cu opusul său umezeala, erau considerate calități care defineau diversele corpuri.

Mai târziu, RENE DESCARTES(1596-1650) și ROBERT HOOKE(1635-1703) au descris căldura ca pe mișcarea neâncetată a particolelor.

Ulterior, olandezul HERMAN BOERHAAVE(1668-1738) și alții au descris căldura ca pe un fluid invizibil,( pe care l-au numit flux caloric) care poate fi transmis de la un obiect la altul.

Încă din sec.XVIII, contele RUMFORD BENJAMIN THOMPSON(1753-1814) a observat, cu ocazia fabricării țevilor de tun că la perforarea acestora se produce o mare cantitate de căldură și a ajuns la concluzia că aceasta se transmitea țevii prin intermediul mișcării.

După aceea, N.L. SADI CARNOT(1796-1832) intrigat de faptul că motoarele cu abur britanice erau mai eficiente decât cele franțuzești si-a propus să construiască o mașină termică care să funcționeze cu randament maxim. Așa a început să studieze posibilitățile obținerii lucrului mecanic din căldură. În anul 1824 și-a publicat la editura Universtății Sorbona din Paris rezultatele cercetărilor sale în lucrarea cu titlul: ”Reflections sur la puissance motrice du feu”(Reflexii asupra puterii motrice a focului). Această lucrare a rămas aproape necunoscută timp de 10 ani până când CLAPEYRON a comentat-o în „Jurnnal de l”Ecole Polytechnique”.

Anul publicării de către N.L. SADI CARNOT a lucrării sale (1824), deci începutul sec.XIX este considerat momentul istoric în care teoria conform căreia căldura este o formă de mișcare, a învins teoria fluxului caloric.

N.L. SADI CARNOT descoperise în esență următoarele:

1. Eficiența unui motor termic depinde de diferența de temperatură dintre:

- TM (temperatura sursei care determină mișcarea) și:

- Tm (temperatura în care motorul își ”descarcă” excesul de căldură, respectiv temperatura mediului în care funcționează motorul).

2. Procesele termodinamice deschise nu sunt indicate în obținera lucrului mecanic în cantități industriale, din cauza imposibilității de a readuce sistemul în starea inițială. De aceea el a considerat că doar Procesele termodinamice închise permit obținerea de lucru mecanic în orice cantitate prin repetarea procesului termodinamic. Procesul temodinamic închis, ideal, imaginat de N.L. SADI CARNOT este următorul:

Fig. 1: Reprezentarea în diagrama p-V a ciclului Carnot motor.

Așa cum se observă din figură, acesta este format din:

- două izoterme(1-2 și 3-4), în care căldura schimbată cu mediul exterior este egală cu lucrul mechanic și:

- două adiabate(2-3 și 4-1), caracterzate prin faptul că sistemul nu schimbă energie prin efect termic cu mediul ambient.

CONCLUZII

1. Ciclul termodinamic de mai sus, parcurs în sensul acelor de ceasornic se

numește:”Ciclul Carnot reversibil direct”. El este un ciclu termodinamic ideal. Mașina termică care ar lucra după acest ciclu ar produce lucru mecanic și ar avea randament termic maxim posibil.

2. Expresia constituie și prima formulare a PRINCIPIULUI II al termodinamicii și anume: Pentru ca o mașină termică să funcționeze ea trebuie să primească o cantitate de căldură de la o sursă cu temperatuta ridicată(q12) și să cedeze o parte din căldura primită altei surse cu temperatura mai scăzută(q34).

În realitate randamentele mașinilor termice sunt mult mai mici decât randamentul ciclului Carnot din următoarele cauze importante:

- vitezele de desfășurare a proceselor termodinamice sunt finite.

- Ciclurile termodinamice reale pe care le realizează mașinile termice sunt diferite de ciclul ideal imaginat de Carnot.

- Materialele și gazul utilizat influențează transformările energetice.

Aici mi-aș permite un comentariu personal și anume: din păcate randamentele reale sunt ”lamentabile” în comparație cu randamentul ciclului CARNOT ideal, respectiv:

- 6....10 % în cazul locomotivelor cu abur.

- 18....28 % în cazul instalațiilor de turbine cu abur.

- 20....25 % în cazul instalațiilor de turbine cu gaze.

- 28....35 % în cazul motoarelor cu ardere internă. În acest sens motorul DIESEL are cel mai bun randament și anume cca. 35 %.

CONCLUZII FINALE

1. Se numește lucru mecanic: modul de transfer de energie prin efect macanic.(Acest transfer de energie este caracteristic sistemelor la care parametrii externi variază în timpul procesului).

2. Se numește căldură: modul de transfer de energie prin efect termic.(Acest transfer de energie este caracteristic sistemelor termodinamice care nu-și modifică parametrii externi în timpul procesului). După unii autori cantitatea de energie transferată în acest mod se numește impropriu cantitate de căldură.

În domeniul instalațiilor, cu riscul de a fi catalogați drept mai puțin scrupuloși, denumim cantitate de căldură: cantitatea de energie transferată prin efect termic.

Mărimi de proces

Căldura și lucrul mecanic se definesc numai în procese de transfer de energie, fapt pentru care sunt numite mărimi de proces. Ele reprezintă mărimi care nu caracterizează stările sistemului termodinamic.