Termodinamică

6. TERMODINAMICA

6.1 Echilibre ¸si st¼ari termodinamice. Echilibrul termodinamic

Unul dintre obiectele de studiu ale termodinamicii este examinarea bi-

lan¸tului energetic dintr-un proces …zic, extinzând investigarea la schimburile

de energie care nu sunt de origine mecanic¼a –în sensul macroscopic discutat

pân¼a acum. Înainte de a formula o lege de conservare general¼a, vom analiza

sisteme ¸si fenomene de care se ocup¼a termodinamica, introducând m¼arimile

temperatur¼a ¸si c¼aldur¼a.

De obicei, un sistem termodinamic este asimilat, din punct de vedere

mecanic, cu un sistem continuu, considerându-se c¼a microscopic el este con-

stituit dintr-un num¼ar de elemente de ordinul numarului lui Avogadro –

NA = 6; 022
1023. Nu ne vom propune s¼a studiem mi¸sc¼arile acestor ele-

mente, mi¸sc¼ari colective sau individuale, atât din cauza num¼arului lor mare

în sistem cât ¸si a num¼arului mare de interac¸tii dintre elemente.Sistemele ter-

modinamice pe care le vom analiza vor …, practic, în repaus. Vom încerca

îns¼a s¼a descriem transform¼arile pe care le descrie sistemul ¸si schimburile lui

energetice cu mediul înconjur¼ator, speci…când m¼arimile care descriu cel mai

bine aceste transform¼ari. Numim sistem termodinamic o portiune din univers

care poate … constituit¼a din una sau mai multe p¼ar¸ti, de exemplu, un volum

de gaz sau un lichid în echilibru cu vaporii s¼ai; un astfel de sistem va …

obiectul observa¸tiilor noastre legate de propriet¼a¸tile …zice macroscopice care

îl caracterizeaz¼a precum ¸si eventualele lor varia¸tii.

Prin mediu înconjur¼ator se în¸telege partea din univers ce înconjuar¼a sis-

temul termodinamic ¸si cu care acesta poate s¼a interac¸tioneze. În general,

mediul înconjur¼ator contribuie la determinarea caracteristicilor …zice macro-

scopice ale sistemului termodinamic.

Dac¼a între sistem ¸si mediul înconjur¼ator se face atât schimb de energie

cât ¸si de substan¸t¼a, sistemul se nume¸ste deschis. Sistemul se va numi închis

dac¼a nu este posibil schimbul de substan¸t¼a cu mediul înconjur¼ator, ci numai

cel de energie. În cazul în care nu are loc nici schimb de energie ¸si nici de

substan¸t¼a între sistem ¸si mediul înconjur¼ator, sistemul se nume¸ste izolat.

În cele ce urmeaz¼a ne vom ocupa numai de sisteme închise, ce pot schimba

cu mediul înconjur¼ator numai energie.

Un sistem termodinamic poate …descris printr-un num¼ar redus de m¼arimi

…zice m¼asurabile, numite parametri de stare sau variabile termodinamice,

cum ar …: volumul, presiunea, temperatura, masa, concentra¸tia, densitatea....

Unele variabile termodinamice, numite variabile extensive, sunt aditive fa¸t¼a

de reuniunea a dou¼a sisteme (de exemplu, masa, volumul, etc.); alte variabile

îns¼a, numite variabile intensive, depind în general de locul în sistem unde se

m¼asoar¼a variabila ¸si nu sunt aditive (de exemplu, temperatura, presiunea,

densitatea, etc.).

Parametrii de stare ai unui sistem pot …externi sau interni. Parametrii de

stare externi ai sunt func¸tii de coordonatele generalizate ale corpurilor a‡ate

în interac¸tie cu sistemul (de exemplu, intensitatea câmpului electric, mag-

netic, gravita¸tional, volumul sistemului, etc.). Parametrii de stare interni bi

sunt func¸tii atât de valorile medii ale coordonatelor ¸si vitezelor particulelor

ce alc¼atuiesc sistemul, cât ¸si de coordonatele generalizate ale corpurilor ex-

terioare sitemului.

Num¼arul minim de coordonate termodinamice necesar descrierii complete

a unui sistem termodinamic nu este …xat a priori, ci depinde de propriet¼a¸tile

…zico-chimice ale sistemului ce urmeaz¼a a …studiat. De exemplu, starea unui

mol de gaz ideal este descris¼a cu ajutorul a trei m¼arimi: presiunea, volumul

¸si temperatura, care îns¼a nu pot varia independent ci sunt legate între ele

prin intermediul ecua¸tiei de stare.

Se observ¼a c¼a de…ni¸tia st¼arii termodinamice este conceptual diferit¼a de

cea a st¼arii mecanice, pentru care se presupun cunoscute pozi¸tiile ¸si vitezele

celor N puncte care alc¼atuiesc sistemul. În astfel de termeni, în mod practic,

datorit¼a valorii mari a lui N, un sistem termodinamic nu poate … de…nit.

Se poate zice, îns¼a, c¼a unei aceleia¸si st¼ari termodinamice date –de…nite de

un num¼ar relativ mic de variabile termodinamice (macroscopice) – îi pot

corespunde multe st¼ari mecanice diferite –de…nite de un num¼ar imens de

coordonate mecanice (microscopice).

Echilibrul termodinamic al unui sistem se realizeaz¼a atunci când vari-

abilele termodinamice care descriu sistemul ajung s¼a …e constante în timp.

Într-un sistem a‡at în echilibru variabilele termodinamice se numesc variabile

de stare.

Echilibrul termodinamic este rezultatul a trei tipuri diverse de echilibre

ce trebuie realizate simultan:

a) Echilibrul mecanic, în¸teles ca echilibrul for¸telor ¸si al momentelor for¸telor,

a¸sa cum se studiaz¼a în mecanic¼a;

b) echilibrul chimic: nu au loc reac¸tii chimice în sistem;

c) echilibrul termic: temperatura este aceea¸si în tot sistemul.

Not¼am faptul c¼a sistemele pe care le vom studia vor … întotdeauna în

echilibru chimic.

Dac¼a o stare este de echilibru, atunci condi¸tiile de echilibru trebuie s¼a …e

satisf¼acute în întreg sistemul sau în oricare dintre p¼ar¸tile sale constitutive,

în interac¸tia dintre p¼ar¸tile sistemului sau în aceea dintre sistem ¸si mediul

înconjur¼ator. Atunci când exist¼a echilibru între sistem¸si mediul înconjur¼ator,

însemn¼a c¼a exist¼a echilibru între for¸tele macroscopice dintre sistem ¸si mediul

înconjur¼ator, oricare ar … natura lor.