Prof. Mureşan Carmen Silvia TERMODINAMICA Prof. Mureşan Carmen Silvia ÎNCHIDE APLICAŢIA 22.11.2018

STUDIUL PROCESELOR TERMICE LA NIVEL MACROSCOPIC 22.11.2018

STĂRI DE AGREGARE Reprezentarea mişcării atomilor în cele trei stări de agregare: Starea solidă (stânga) Starea lichidă (mijloc) Starea gazoasă (dreapta) 22.11.2018

STĂRI DE AGREGARE Solid Lichid Gaz Solidul -îşi pastrează forma şi nu umple vasul, Lichidul - ia forma vasului dar nu o umple, Gazul - se răspândeşte luând forma vasului şi ocupând tot spaţiul (îşi modifică volumul şi forma) 22.11.2018

GAZUL IDEAL Componentele(molecule,atomi) sistemului sunt considerate puncte materiale. Forţele de interacţie între componentele sistemului sunt considerate nule. Ciocnirile între componente, componente şi pereţii incintei, sunt perfect elastice (energia cinetică se conservă). Mişcarea între două ciocniri consecutive este rectilinie uniformă. Numărul mare de componente determină existenţa unui număr constant de componente cu aceeaşi viteză, în ciuda numărului mare de ciocniri, la echilibru termic. 22.11.2018

IMAGINEA GAZULUI IDEAL 22.11.2018

PARAMETRII DE STARE Masa sau numărul de kilomoli de gaz Mărimile fizice care caracterizează proprietăţile ST la un moment dat: Masa sau numărul de kilomoli de gaz Presiunea- forţa exercitată pe unitatea de suprafaţă Volumul-parametru geometric Temperatura-măsoară starea de încălzire a ST 22.11.2018

ECUAŢIA TERMICĂ DE STARE Relaţia matematică de interdependenţă între parametrii stării de echilibru a unui ST: Numim stare cuasistatică starea de echilibru a sistemului, stare în care parametrii ST sunt constanţi în timp. 22.11.2018

TRANSFORMARE DE STARE Trecerea sistemului dintr-o stare termodinamică în alta. Dacă transformarea are loc prin stări intermediare de echilibru,transformarea se numeşte cuasistatică şi poate fi reprezentată grafic,sau altfel spus poate fi analizată. Reprezentarea grafică a stării sau trasformării de stare se face într-un sistem de coordonate Clapeyron(V,p). 1(T1) p1 2(T2) p2 V1 V2 22.11.2018

CARACTERIZAREA ENERGETICĂ A SISTEMULUI TERMODINAMIC Orice proces în natură se explică pe seama energiei proprii (formă de energie) sau a schimbului de energie cu mediul exterior(formă de transfer de energie). Energia internă U- formă de energie numeric egală cu suma energiilor cinetice ,a energiilor potenţiale de interacţiune între componente sau între acestea şi câmpul de forţe exterioare. 22.11.2018

FORME DE TRANSFER DE ENERGIE Lucru mecanic-formă de transfer de energie care se materializează prin modificarea parametrului de poziţie(V). Din formulă rezultă: Geometric reprezintă aria cuprinsă între grafic şi abscisă , între starea finală şi iniţială. F S x 1(T1) 2(T2) V2 V1 p1=p2=p L 22.11.2018

FORME DE TRANSFER DE ENERGIE Căldura Q - formă de transfer de energie care se manifestă prin schimbarea stării de încălzire a ST şi fără modificarea parametrului de poziţie. Mărimile fizice scalare care exprimă variaţia temperaturii ST în cazul transferului de căldură se numesc coeficienţi calorici: Capacitatea calorică-Căldura transferată de ST pentru a-şi modifica temperatura cu un Kelvin. 22.11.2018

COEFICIENŢI CALORICI Căldura specifică- Căldura transferată de un kg de substanţă pentru a-şi modifica temperatura cu un Kelvin. Căldura molară- Căldura transferată de un kilomol de substanţă pentru a-şi modifica temperatura cu un Kelvin. 22.11.2018

RELAŢIA ÎNTRE COEFICIENŢII CALORICI Ştim că deci sau Conform relaţiei căldurii specifice(2) putem preciza formula matematică de evaluare a transferului de energie sub formă de căldură: Căldura în funcţie de căldura molară(3): 22.11.2018

PRECIZĂRI ASUPRA COEFICIENŢILOR CALORICI Valoarea coeficienţilor calorici este dependentă de condiţiile de presiune şi volum la care sunt determinate: Coeficienţii măsuraţi la presiune constantă Cp sunt mai mari decât coeficienţii măsuraţi la volum constant CV , în cazul gazelor şi sunt aproximativi egali în cazul lichidelor şi solidelor. Acest lucru se va înţelege pe parcursul analizării transformărilor simple ale gazului ideal. 22.11.2018

RELAŢIA ÎNTRE MĂRIMILE ENERGETICE Orice proces din natură se produce cu respectarea legii de conservare a energiei(“nimic nu se pierde totul se transformă”). Legea conservării energiei în procese termodinamice reprezintă principiul I al termodinamicii: Într-un proces termodinamic, căldura primită de sistem este egală cu suma dintre variaţia energiei interne şi lucru mecanic efectuat de sistem. 22.11.2018

PRINCIPIUL I AL TERMODINAMICII ST L Q ΔU 22.11.2018

TRANSFORMĂRI DE FAZĂ La comprimarea unui gaz, distanţa dintre molecule scade, interacţiune lor devenind mai intensă. Apare astfel posibilitatea ca forţele de atracţie dintre molecule să determine cuplarea acestora, adică trecerea substanţei din starea gazoasă în starea lichidă. Pe lângă tendinţa de apropiere datorată forţelor intermoleculare, într-un gaz există şi tendinţa de împrăştiere a moleculelor, datorită agitaţiei termice. În anul 1869 chimistul irlandez Thomas Andrews a reuşit să lichefieze dioxidul de carbon, măsurând presiunea în funcţie de volum, în timpul lichefierii- Izotermele lui Andrews. 22.11.2018

IZOTERMELE LUI ANDREWS p p lichid D 48,10C 35,5 31,1 32,5 D gaz+lichid C B gaz A B pC C V A V M 22.11.2018

TRANSFORMĂRI DE STARE DE AGREGARE TOPIREA - fenomenul de trecere a unei substanţe din stare solidă în stare lichidă. Experimental se constată că: topirea are loc cu absorţie de căldură din exterior În timpul topirii substanţelor cristaline temperatura rămâne constantă, la o valoare numită temperatură de topire. Substanţele amorfe nu au temperatură precisă de topire 22.11.2018

REPREZENTAREA COMPORTĂRII LA ÎNCĂLZIRE (ŞI TOPIRE) A UNEI SUBSTANŢE CRISTALINE ŞI A UNEI SUBSTANŢE AMORFE T Substanţă cristalină A B Substanţă amorfă O timp 22.11.2018

CĂLDURA LATENTĂ DE TOPIRE În timpul topirii unei substanţe cristaline temperatura ei rămâne constantă.Prin urmare, energia cinetică medie a moleculelor substanţei rămâne constantă. Căldura primită din exterior este folosită pentru ruperea legăturilor din reţeaua cristalină, în scopul creşterii distanţelor intermoleculare, adică a creşterii energiei potenţiale a sistemului de molecule. 22.11.2018

CĂLDURA LATENTĂ DE TOPIRE Căldura primită din exterior în timpul topirii se numeşte căldură latentă. Se numeşte CĂLDURĂ LATENTĂ de topire izotermă, mărimea scalară definită de relaţia: este căldura latentă specifică de topire, Q este căldura latentă de topire a masei ,,m’’ de substanţă 22.11.2018

SOLIDIFICAREA Fenomenul de trecere a unei substanţe din stare lichidă în stare solidă. Solidificarea are loc cu cedare de căldură în exterior. În timpul solidificării substanţelor cristaline, aceste substanţe cristalizează tot la o temperatură constantă, numită temperatură de cristalizare. Expresia căldurii (latente) schimbată de substanţă cu exteriorul în timpul solidificării este : 22.11.2018

VAPORIZAREA Fenomenul de trecere a unei substanţe din stare lichidă în stare de vapori. Vaporizarea are loc cu absorţie de Q din exterior. În timpul vaporizării, temperatura rămâne costantă la o valoare numită temperatură de vaporizare. La temperatura de vaporizare, deoarece lichidul e părăsit de moleculele cu energie cinetică mare, scade energia cinetică medie din lichid, în consecinţă ar trebui să scadă şi temperatura. Căldura primită din exterior e folosită pentru menţinerea temperaturii constante. Căldura primită din exterior în timpul vaporizării serveşte la învingerea forţelor de coeziune si ea e numită căldură latentă de vaporizare. Căldură latentă specifică de vaporizare la temperatură constantă , mărimea fizică scalară definită de relaţia: 22.11.2018

SUBLIMARE ŞI DESUBLIMARE PUNCTUL TRIPLU Sublimare - fenomenul de trecere a unei substanţe din stare solidă, direct în stare de vapori. Desublimare- fenomenul de trecere a unei substanţe din stare de vapori direct în stare solidă. Temperaturile de topire, de vaporizare şi de sublimare depind toate de presiunea exterioară. Dacă reprezentăm grafic cele trei procese pe aceeaşi diagramă , acestea se întalnesc într-un punct unic, comun, numit punct triplu, iar starea unică pe care o reprezintă se numeşte stare triplă. 22.11.2018

REPREZENTAREA PUNCTULUI TRIPLU Punct triplu lichid solid vaporizare condensare Sublimare desublimare vapori T 22.11.2018

TRANSFORMĂRI SIMPLE ALE GAZULUI PERFECT Transformări de stare în care masa ST rămâne constantă. Tipuri de transformări: Transformare izocoră: m=const.,V=const. Transformare izobară: m=const.,p=const. Transformarea izotermă: m=const.,T=const. Transformare generală: m=const. Transformare adiabatică: m=const.,Q=0. 22.11.2018

TRANSFORMĂRI SIMPLE ALE GAZULUI PERFECT-GRAFIC 22.11.2018

TRANSFORMARE IZOCORĂ Presiunea unei mase de gaz ideal aflat la volum constant variază direct proporţional cu temperatura absolută. Din ecuaţia termică de stare,în urma introducerii condiţiilor transformării rezultă: 22.11.2018

TRANSFORMARE IZOCORĂ-REPREZENTARE GRAFICĂ Destindere izocoră (a). Comprimare izocoră (b). (a) 2(T2) p2 p1 1(T1) V1=V2 V p (b) p1 1(T1) p2 2(T2) V1=V2 V 22.11.2018

TRANSFORMAREA IZOCORĂ Animaţie creată prezintă transformarea conform legii transformării p/T=constant. 22.11.2018

TRANSFORMARE IZOCORĂ-CARACTERIZAREA ENERGETICĂ Mărimile energetice care caracterizează transformarea: V=constant ΔV=0 L=0 Q=ΔU Deci mărimile energetice pot fi exprimate: 22.11.2018

TRANSFORMAREA IZOBARĂ Volumul unei mase de gaz ideal aflat la presiune constantă variază direct proporţional cu temperatura absolută. Din ecuaţia termică de stare,în urma introducerii condiţiilor transformării rezultă: 22.11.2018

TRANSFORMAREA IZOBARĂ REPREZENTARE GRAFICĂ Destindere izobară (a). Comprimare izobară (b). (a) 1(T1) 2(T2) p1=p2 L V2 V1 V p 2(T2) 1(T1) (b) p1=p2 L V2 V1 V 22.11.2018

TRANSFORMAREA IZOBARĂ Animaţa prezintă transformarea conform legii V / T=constant 22.11.2018

TRANSFORMAREA IZOBARĂ CARACTERIZARE ENERGETICĂ 22.11.2018

TRANSFORMARE IZOBARĂ CARACTERIZARE ENERGETICĂ Din calculele efectuate rezultă valoarea mărimilor energetice care caracterizează transformarea izobară: Căldura primită de ST: Variaţia energiei interne a ST: Lucru mecanic efectuat de ST: 22.11.2018

TRANSFORMARE IZOTERMĂ Volumul unei mase de gaz ideal aflat la temperatură constantă variază invers proporţional cu presiunea. Din ecuaţia termică de stare,în urma introducerii condiţiilor transformării rezultă: 22.11.2018

TRANSFORMARE IZOTERMĂ REPREZENTARE GRAFICĂ Destindere izotermă (a). Comprimare izotermă (b). 1(T1) (a) p1 2(T1) p2 L V1 V2 V p 2(T1) p2 (b) 1(T1) p1 L V V2 V1 22.11.2018

TRANSFORMAREA IZOTERMĂ 22.11.2018

TRANSFORMĂREA IZOTERMĂ CARACTERIZARE ENERGETICĂ T=constantă ΔT=0: Lucru mecanic reprezintă aria limitată pe grafic a cărei valoare este dată de relaţia dedusă prin calcul diferenţial: 22.11.2018

TRANSFORMARE ADIABATICĂ Sistemul care nu schimbă căldură cu mediul exterior se numeşte sistem adiabatic (ex. termosul, sau calorimetrul -în laborator). Studiul acestor procese este studiat de o parte a fizicii numită calorimetrie. Transformarea adiabatică este o transformare simplă în care o masă de gaz schimbă energie cu mediul exterior numai sub formă de lucru mecanic. 22.11.2018

TRANSFORMAREA ADIABATICĂ REPREZENTARE GRAFICĂ Destinderea adiabatică (a) Comprimare adiabatică (b) (a) p1 2(T2) p2 L V1 V2 V p 2(T2) p2 (b) 1(T1) p1 L V V2 V1 22.11.2018

LEGEA TRANSFORMĂRII ADIABATICE Din reprezentarea grafică rezultă asemănarea cu transformarea izotermă, dar se sesizează o creştere mai rapidă a presiunii la aceeaşi variaţie de volum. Acest lucru se transcrie matematic prin introducerea unui exponent în relaţia definită pentru transformarea izotermă: unde se numeşte exponent adiabatic. 22.11.2018

TRANSFORMĂRII ADIABATICE CARACTERIZARE ENERGETICĂ Conform relaţiilor de mai sus putem spune că, într-o transformare adiabatică, sistemul efectuează lucru mecanic pe seama scăderii energiei sale interne. 22.11.2018

TRANSFORMAREA GENERALĂ Transformarea în care singurul parametru constant este masa(numărul de kilomoli). Această transformare poate fi rezultatul mai multor transformări simple consecutive. 22.11.2018

DIAGRAMELE 22.11.2018