FIZICĂ. Elemente de termodinamica. ş.l. dr. Marius COSTACHE

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "FIZICĂ. Elemente de termodinamica. ş.l. dr. Marius COSTACHE"

Ἄννα Βιτάλης
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 FIZICĂ Elemente de termodinamica ş.l. dr. Marius COSTACHE 1

2 ELEMENTE DE TERMODINAMICĂ 1) Noţiuni introductive sistem fizic = orice porţiune de materie, de la o microparticulă la întreg Universul, porţiune pe care o separăm mintal de mediul exterior ei. sisteme termodinamice = sisteme fizice ce îndeplinesc următoarele două condiţii : - conţin un număr suficient de mare de constituenţi / microsisteme (atomi, molecule, grupuri de atomi şi de molecule) astfel încât la echilibru fluctuaţiile parametrilor să se compenseze ; - conţin un număr finit de constituenţi / microsisteme şi sunt spaţial limitate. 2

3 1) Noţiuni introductive CLASIFICAREA SISTEMELOR TERMODINAMICE: În funcţie de schimbul de substanţă şi energie cu mediul exterior sistemele termodinamice pot fi clasificate în : sisteme închise : nu fac schimb de substanţă cu exteriorul dar pot face schimb de energie cu acesta. În funcţie de schimbul de energie cu exteriorul deosebim : sisteme izolate ( variaţia energiei interne este nulă ), sisteme izolate adiabatic ( variaţia energiei interne sub formă de căldură este nulă, nu face schimb de căldură cu mediul exterior ), sisteme izolate diaterm ( variaţia energiei interne este nenulă) ; sisteme deschise : aceste sisteme fac schimb, cu exteriorul, atât de substanţă, cât şi de energie (, ). 3

4 1) Noţiuni introductive CLASIFICAREA SISTEMELOR TERMODINAMICE: Din punct de vedere al constituţiei sistemele termodinamice pot fi clasificate în : sisteme omogene, parametrii termodinamici intensivi au aceeaşi valoare în orice element de volum al sistemului ; sisteme neomogene, parametri termodinamici intensivi nu au aceeaşi valoare în orice element de volum al sistemului. Volumele delimitate de salturile valorilor parametrilor intensivi constituie fazele sistemului. Totalitatea proprietăţilor unui sistem fizic exprimă starea sistemului. Starea sistemului termodinamic poate fi caracterizată cu ajutorul parametrilor termodinamici. 4

5 1) Noţiuni introductive Clasificarea parametrilor termodinamici: parametri intensivi : nu depind de întinderea sistemului, iar la echilibru au aceeaşi valoare în întreg cuprinsul sistemului Ex: temperatura, T, presiunea, p, potenţialul chimic, µ ; parametri extensivi : depind de întinderea sistemului Ex: volumul, V, masa sistemului, m, numărul de particule din sistem, N. În alte situaţii parametri termodinamici sunt împărţiţi în: parametri externi depind de sistemele din mediul înconjurător (ex. intensitatea unui câmp exterior : electric, magnetic, gravific); parametri interni depind de sistemul considerat (ex. presiunea, temperatura, densitatea, magnetizarea, polarizarea electrică). 5

6 1) Noţiuni introductive Starea sistemului termodinamic poate fi: stare de echilibru termodinamic: parametrii de stare nu variază sau variază atât de lent încât, la orice moment, sistemul poate fi considerat la echilibru stare de neechilibru termodinamic Funcţiile de stare cele mai importante sunt: energia internă, U, entropia, S, energia liberă Helmholtz, F, energia liberă Gibbs, G, entalpia, H. Trecerea sistemului dintr-o stare iniţială într-o stare finală, trecând printr-o mulţime de stări intermediare, se numeşte proces termodinamic sau transformare de stare 6

7 1) Noţiuni introductive PROCESELE TERMODINAMICE - Clasificare: în funcţie de sensul de parcurgere a mulţimii stărilor intermediare: procese reversibile de la starea finală se ajunge la starea iniţială prin aceeaşi mulţime de stări intermediare, dar parcursă în sens invers; procese ireversibile - de la starea finală se ajunge la starea iniţială printr-o mulţime de stări intermediare diferite de cele prin care s-a ajuns de la starea iniţială la starea finală. în funcţie de mărimea variaţiei relative a parametrilor termodinamici: procese diferenţiale / infinitezimale au loc variaţii foarte mici, elementare, ale parametrilor termodinamici la trecerea sistemului dintr-o stare în alta; procese integrale / finite la trecerea sistemului dintr-o stare în alta patrametrii termodinamici suferă variaţii finite. 7

8 1) Noţiuni introductive PROCESELE TERMODINAMICE - Clasificare: în funcţie de raportul dintre starea iniţialăşi starea finală: procese ciclice procese neciclice în funcţie de natura stărilor intermediare: procese cvasistatice procese nonstatice 8

9 2) PRINCIPIILE TERMODINAMICII Vom considera sistemul termodinamic: gazul ideal 2.1. Principiul general al termodinamicii Principiul general al termodinamicii: Un sistem izolat ajunge întotdeauna într-o stare de echilibru pe care nu o poate părăsi de la sine, ci numai prin variaţia parametrilor externi Principiul zero al termodinamicii Dacă un sistem termodinamic, cald, este pus în contact termic cu un sistem termodinamic rece, după un timp ele vor ajunge la aceeaşi temperatură de echilibru. Principiul zero al termodinamicii: Există o mărime scalară numită temperatură, ce reprezintă o proprietate a tuturor sistemelor termodinamice (în stări de echilibru), astfel încât egalitatea temperaturilor este o condiţie necesară şi suficientă pentru echilibrul termic. 9

10 2.1. Principiul zero al termodinamicii Temperatura = măsură a stării de mişcare termică a constituenţilor sistemului Obs: 1) La echilibru termodinamic, temperatura are aceeaşi valoare în tot sistemul 2) Măsurarea temperaturii se bazează pe observaţia că unele proprietăţi fizice ale sistemelor termodinamice se modifică cu modificarea stării de încălzire (dilatarea corpurilor, variaţia cu temperatura a rezistenţei electrice a unui conductor sau semiconductor, variaţia presiunii unui gaz menţinut la volum constant, variaţia volumului unui gaz menţinut la presiune constantă). Scări de temperatură: scara Celsius scara Fahrenheit: o t( F) = 1.8 t( C) + 32 scara Kelvin o T ( K) = t( C)

11 2.1. Principiul zero al termodinamicii Ecuaţia termică de stare = ecuaţie care leagă parametrii sistemului termodinamic de temperatură. f ( p, V, T ) = 0 Exemple: 1) Ecuaţia termică de stare a gazului ideal: p = presiunea gazului V = volumul, T = temp.absolută v = nr. de moli de gaz, R = 8.31 J / (mol K ) pv =ν RT ec. Clapeyron-Mendeleev 2) Ecuaţia termică de stare a gazului real: a = parametru care depinde de forţele de interacţiune dintre particule b = covolumul = volumul propriu al moleculelor dintr-un mol de gaz 2 ν a p + 2 ( V νb) = ν RT V ec. Van der Waals 11

12 2.3. Principiul întâi al termodinamicii Starea unui sistem termodinamic se poate modifica prin: - lucru mecanic: când starea unui sistem termodinamic se modifică datorită variaţiei parametrilor externi, - căldură: când starea unui sistem termodinamic se modifică datorită contactului termic al acestuia cu sistemele înconjurătoare. Obs: Lucrul mecanic şi căldura sunt mărimi de proces (transformare de stare) Energia internă (U) = suma dintre energiile cinetice ale tuturor particulelor şi energiile potenţiale de interacţiune ale particulelor Obs: 1) U este o funcţie de stare a sistemului termodinamic 2) Ecuaţia care dă energia internă (U) în funcţie de setul de parametrii externi (a i ) corespunzători unei stări de echilibru şi temperatura absolută (T) se numeşte ecuaţia calorică de stare: U = U ( a, T) { } i 12

13 2.3. Principiul întâi al termodinamicii Principiul întâi al termodinamicii: Variaţia energiei interne a unui sistem termodinamic este egală cu energia schimbată de acesta cu exteriorul sub formă de Lucru mecanic şi Căldură U = Q L ec. P1 al termodinamicii COEFICIENŢI CALORICI Capacitatea calorică a unui sistem termodinamic: Q J C = [ C] = T K Căldura specifică a unei substanţe (sistem termodinamic): c = 1 Q m T [ c] = J Kg K 13

14 2.3. Principiul întâi al termodinamicii Coeficienţi calorici Căldura molară a unei substanţe (sistem termodinamic): C Q ν T µ = µ, [ C ] = J mol K Obs: C = c µ µ Căldura latentă a unei substanţe (sistem termodinamic): Λ = m Q, [ Λ] = J Kg 14

15 2.3. Principiul întâi al termodinamicii Procese termodinamice reversibile simple procesele izoterme, în decursul cărora temperatura se menţine constantă T = cst, pv = cst (ecuaţia Boyle-Mariotte ) 15

16 2.3. Principiul întâi al termodinamicii Procese termodinamice reversibile simple procesele izobare, în decursul cărora presiunea se menţine constantă V p = cst, = T cst 16

17 2.3. Principiul întâi al termodinamicii Procese termodinamice reversibile simple procesele izocore, în decursul cărora volumul se menţine constant p V = cst, = cst T 17

18 2.3. Principiul întâi al termodinamicii Procese termodinamice reversibile simple procesele adiabatice, în decursul cărora sistemul termodinamic nu schimbă caldură cu mediul exterior γ Q = 0, pv = cst 18

19 BIBLIOGRAFIE F. BARVINSCHI Fizică Generală, Ed. Orizonturi Universitare, Timişoara, M. CRISTEA, D. POPOV, F. BARVINSCHI, I. DAMIAN, I. LUMINOSU, I. ZAHARIE Fizică. Elemente fundamentale, Ed. Politehnica, Timişoara, 2006 I. LUMINOSU Fizică. Elemente fundamentale Ed. Politehnica, Timişoara,2004 S. PRETORIAN, M. COSTACHE, V. CHIRIŢOIU Fizică. Elemente fundamentale. Aplicaţii, Ed. Politehnica, Timişoara, 2006 Luminosu I., Pop N., Chiritoiu V., COSTACHE Marius Fizică. Teorie, probleme şi teste grilă, Ed. Politehnica, Timişoara,

Σχετικά έγγραφα

Aplicaţii ale principiului I al termodinamicii la gazul ideal

Aplicaţii ale principiului I al termodinamicii la gazul ideal Principiul I al termodinamicii exprimă legea conservării şi energiei dintr-o formă în alta şi se exprimă prin relaţia: ΔUQ-L, unde: ΔU-variaţia