Noțiuni de termodinamică și termotehnică

Termodinamica este un domeniu important al fizicii clasice care se ocupă cu studiul mișcării termice și al proceselor care produc modificări ale acesteia.

Particulele oricărui corp cu temperatură diferită de 0 absolut au mai multe tipuri de mișcare termică:

vibrație;

translație;

rotație.

Pentru determinarea proprietăților corpurilor, pentru descrierea condițiilor de echilibru, pentru analiza proceselor care produc modificări ale acestora în termodinamică se folosesc metode de studiu la scară macroscopică și microscopică.

Termotehnica sau termodinamica tehnică est știința care se ocupă cu aplicarea în practică a legilor și principiilor termodinamicii.

Obiectivul principal al termotehnicii este de a îmbunătății tehnologiile de conversie, transport și utilizare a diferitelor forme de energie prin reducerea pierderilor și creșterea randamentelor.

Substanța este alcătuită din particule.

Moleculele sunt particulele cele mai mici din componența substanței care mai păstrează caracteristicile fizice și chimice ale acesteia.

Atomii sunt cele mai mici particule obținute prin metode chimice.

Noțiunea de corp reprezintă din punctul de vedere al fizicii, un ansamblu de particule în număr mare, dar finit.

Un ansamblu de corpuri de dimensiuni macroscopice aflate în interacțiune formează un sistem fizic. Sistemul fizic este delimitat de mediul înconjurător prin frontiere reale sau imaginare. Metoda macroscopică folosește noțiunea de sistem termodinamic.

SISTEM TERMODINAMIC=un ansamblu compus dintr-un număr finit de corpuri cu proprietăți diferite care se regăsesc în interacțiunile mecanică și termică.

În funcție de proprietățile frontierelor distingem mai multe tipuri de sisteme:

sistem deschis;

sistem izolat;

sistem închis.

- izolat adiabatic=sistem care nu primește și nu cedează căldura.

Totalitatea proprietăților sistemului la un moment dat sunt caracterizate prin parametrii de stare care pot fi: intensivi și extensivi.

Parametrii ale căror valori nu depind de masa sistemului se numesc parametrii intensivi. Exemplu: presiunea, temperatura. Parametrii intensivi se simbolizează în general cu litere mici. Excepție face temperatura, care se notează cu T când este exprimată în Kelvin (temperatura absolută) și cu tîn orice altă scară de temperatură.

Parametrii ale căror valori depind de masa sistemului se numesc parametrii extensivi. Parametrii extensivi se notează cu litere mari. Exemplu: V, U, H, S.

Din orice parametru extensiv se poate obține prin raportare la masa sistemului un parametru intensiv care poartă denumirea de parametru specific masic sau parametru specific.

EXEMPLU:

v=V/m=1/ρ

v-volumul specific masic

h=H/m

h-entalpia specifică masică

u=U/m

u-energia interma specifică masică

Trecerea unui sistem dintr-o stare în altă stare poartă numele de transformare sau proces.

- transformare ciclică=starea finală coincide cu starea inițială a sistemului.

Ecuații termice de stare

Orice parametru de stare se poate determina în funcție de oricare alți doi parametrii de stare independenți.

O relație funcțională între trei parametrii de stare poartă numele de ecuație de stare. Dacă toți cei trei parametrii dintr-o ecuație de stare sunt parametrii termici de stare (presiunea, volumul specific, temperatura), atunci aceasta se numește ecuație termică de stare. Matematic, poate fi scrisă f(p,V,T,m)=0.

Fiecare parametru de stare poate fi scris în funcție de ceilalți doi, adică:

p=p(v,T)

v=v(p,T)

T=T(p,v)

Toți admit diferențială totală exactă. Condițiile pe care trebuie să le îndeplinească o mărime f pentru a fi diferențială totală exactă sunt:

f=f(x,y)

df=(∂f/∂x)_y dx+(∂f/∂y)_x dy

(∂^2 f)/∂x∂y=(∂^2 f)/∂y∂x

∫_1^2▒df=f_2-f_1

∮▒df=0

DEMONSTRAȚIE:

dp=(∂p/∂v)_T dv+(∂p/∂T)_v dT (1); p=p(v,T)

dv=(∂v/∂p)_T dp+(∂v/∂T)_p dT (2); v=v(p,T)

dT=(∂T/∂p)_v dp+(∂T/∂v)_p dv (3); T=T(p,v)

Înlocuim relația (3) în relația (1) :

dp=(∂p/∂v)_T dv+(∂p/∂T)_v∙[(∂T/∂p)_v dp+(∂T/∂v)_p dv]

dp=(∂p/∂v)_T dv+(∂p/∂T)_v∙(∂T/∂p)_v dp+(∂p/∂T)_v∙(∂T/∂v)_p dv

Se poate scrie:

dp=(∂p/∂T)_v∙(∂T/∂v)_p dv+(∂p/∂T)_v∙(∂T/∂p)_v dp+(∂p/∂v)_T dv

Toată relația o împărțim la dp; se aplică proprietatea derivatelor, unde:

dv/dp=(∂v/∂p)_T

(dv/dv)_T=1/(∂p/∂v)_T

1=(∂p/∂T)_v∙(∂T/∂v)_p∙(∂v/∂p)_T+(∂p/∂T)_v∙(∂T/∂p)_v+(∂p/∂v)_T∙(∂v/∂p)_T

1=(∂p/∂T)_v∙(∂T/∂v)_p∙(∂v/∂p)_T+1+1

Relația finală este:

(∂p/∂T)_v∙(∂T/∂v)_p∙(∂v/∂p)_T=-1

α - coeficient de dilatare izobară

α=1/v∙(∂v/∂T)_p

β - coeficient de compresibilitate izocoră

β=1/p∙(∂p/∂T)_v

γ - coeficient de compresibilitate izotermă

γ=1/v∙(∂v/∂p)_T

ρ=α/(β∙γ)

Temperatura

Temperatura constituie împreună cu presiunea și volumul parametrii fundamentali sau parametrii de stare, fiind mărimi independente. Valorile acestor parametrii se obțin prin măsurări directe.

Temperatura este mărimea care descrie gradul de încălzire a corpului. Ea reflectă la nivel macroscopic energia internă a corpului.

Măsurarea temperaturii se face pe baza atingerii echilibrului termic între un termometru și corpul studiat cu care se află în contact. Pentru măsurarea temperaturii s-au conceput metode care folosesc unele proprietăti care se modifică în funcție de starea termică a acestora: