ELEMENTE DE TERMODINAMIC

Termodinamica tiina care studiaz transformrile reciproceale diferitelor forme de energie n sisteme naturale / artificiale.Termodinamica modern are dou direcii principale de aciune:-Termodinamica fenomenologic care const n studiereaproprietilor unui sistem de corpuri care interacioneaz,analiznd condiiile i relaiile cantitative ale schimburilor deenergie care apar n sistem.- Termodinamica statistic care const n stabilirea proprietilorsistemelor fizice analiznd cu ajutorul statisticii matematicelegile care guverneaz micarea termic a numrului foartemare de particule microscopice care alctuiesc corpurilemacroscopice.

ELEMENTE DE TERMODINAMICSistem ansamblu de componente aflate ininteractiune, delimitate de mediul exterior.Sistem termodinamic sistem macroscopic,alctuit dintr-unnumr foarte mare (dar finit!) de particule care se afl ninteraciune energetic att ntre ele ct i cu mediul exterior.

Clasificarea sistemelortermodinamice n funcie deschimburile de energie i/saumas cu exteriorul:Sisteme izolate - nu schimbnici energie nici substan cuexteriorul.

ELEMENTE DE TERMODINAMICSisteme nchise - nu schimbsubstan cu exteriorul (potexista schimburi energetice).

Sisteme deschise schimbi energie i mas cu exteriorul

ELEMENTE DE TERMODINAMICStarea unui sistem termodinamic - ansamblul proprietilorsistemului termodinamic la un anumitFuncia de stare - reprezint o mrime ce depinde de grupulcomplet al parametrilor ce definesc starea sistemului.-Dac parametrii ce definesc starea sistemului nu variaz ntimp starea se numete staionar.-Dac n plus nu exist fluxuri externe care s implicetransport de substan, starea se numete de echilibrutermodinamic.

ELEMENTE DE TERMODINAMICStarea sistemului definit prin parametrii de stareClasificare:Intensivi au valoare definit n orice punct alsistemului, nu depind de dimensiunile acestuia.Ex: Presiunea, temperaturaExtensivi depind de dimensiuni, cantitatea de substan

Ex: Volumul, masa, numrul de moli

O mrime X, asociat unui sistem, este extensiv dac putemdefini o densitate volumic xv=d X/ dV,unde dX este cantitatea din mrimea X coninut n elementulde volum dV. Cantitatea X coninut n sistemul de volum Veste atunci:

vV

X x dV

ELEMENTE DE TERMODINAMICAtunci cnd parametrii sistemului variaz n timp, n sistemul

considerat are loc un proces.Clasificare dup natura strilor intermediare:-cvasistatic - dac evoluia n timp a parametrilor sistemului esteatt de lent nct toate strile intermediare s poat ficonsiderate stri de echilibru.-nestatic - dac parametrii sistemului evolueaz rapid, astfel castrile intermediare s nu poat fi caracterizate termodinamic.Clasificare IIreversibil - sensul desfurrii sale poate fi inversat.ireversibil - sensul procesului nu poate fi inversat.Orice proces reversibil este cvasistatic.

ELEMENTE DE TERMODINAMICPostulatele termodinamicii

n termodinamic se introduce urmtorul principiu (principiul general altermodinamicii): un sistem termodinamic izolat evolueaz spre starea deechilibru pe care o atinge fr a o putea depi, att timp ct parametrii externisunt meninui constani.

Principiul zero al termodinamicii (tranzitivitatea echilibruluitermodinamic).

Considerm dou sisteme A i B separate printr-un perete adiabatic(nu permite schimbul de cldur). Dac cele dou sisteme sunt puse n contactcu un al treilea sistem C, sistemele A i C precum i B i C evolueaz spre onou stare de echilibru comun. Separnd sistemele A i B de sistemul C ipunndu-le n contact termic se constat c cele dou sisteme sunt n echilibrutermic. Prin urmare echilibrul termodinamic este tranzitiv.

O consecin important a acestui principiu este aceea c starea deechilibru a unui sistem este determinat nu numai de ctre parametrii externi cii de un parametru intern, acelai pentru toate punctele sistemului, parametruce a fost numit temperatur.

ELEMENTE DE TERMODINAMICDeducerea proprietilor macroscopice din cele microscopice se simplific

pentru un sistem cu o structur microscopic mai simpl, cum este gazulperfect sau ideal. Acest sistem are urmtoarele proprieti eseniale:- sistemul este format dintr-un numr foarte mare de constitueni de aceeainatur (atomi, molecule) care se mic complet dezordonat;- ciocnirea ntre constitueni ct i cu pereii incintei este perfect elastic, deciviteza n modul nainte si dup ciocnire are aceeai valoare;- dimensiunile constituenilor sunt mici n comparaie cu distana dintre ei,acetia fiind punctiformi i pot avea numai o micare de translaie nu i derotaie;- distana dintre constitueni este suficient de mare nct interaciunile dintreacetia s fie neglijabile, adic energia potenial U = 0;- distribuia vitezelor constituenilor nu se modific n timp, aceasta nseamnca numrul moleculelor care au o anumit valoare a vitezei este ntotdeaunaaceeai.

ELEMENTE DE TERMODINAMICSe poate introduce presiunea exercitat de un fluid ca fora ce acioneaz pe

unitatea de suprafa. S-a artat c valoarea presiunii unui gaz poate fiexprimat prin relaia:

Folosind expresia energiei interne dedus anterior se obine ecuaia destare a gazului perfect, ecuaie ce leag presiunea, volumul itemperatura:

V3U2

3vm

VNp

2p

TkNVpsauTkVNp BB sau p V=n R T unde n=N/NA,

NA fiind numrul lui Avogadro i R= NAkB =8,314 J /K *mol.

ELEMENTE DE TERMODINAMICPornind de la ecuaia de stare se pot regsi legile simple ale gazului ideal, pecare le vom reaminti n continuare.1. Legea lui R. Boyle i E. Mariotte : pentru aceeai mas de gaz latemperatur constant, produsul p V dintre presiune i volum este constant.

2211 VpVp

T = const n = const

P1V1

P2V2

ELEMENTE DE TERMODINAMIC2. Legea lui Charles : La presiune constant, volumul ocupat de o cantitatedat de gaz perfect este proporional cu temperatura absolut.

2

2

1

1

TV

TV T1V1 T2V2

P = const n = const

3. Legea lui L. Gay-Lussac : la volum constant, presiunea unei cantitideterminate de gaz perfect este proporional cu temperatura absolut.

22

11

Tp

Tp

ELEMENTE DE TERMODINAMIC4. Legea lui Avogadro : volume egale de gaze perfecte aflate n aceeaicondiii de presiune i temperatur, conin acelai numr de moli.

1

2

1

2

n

n

VV

T = const P = const

n1V1

n2V2

ELEMENTE DE TERMODINAMIC5. Legea lui Dalton: considernd un amestec de dou gaze perfecte ntr-unvolum V i la aceeai temperatur T, putem scrie : p1V=n1RT i p2V=n2RT.Dac admitem c ntre molecule nu exist interaciune, ansamblul formeaz totun gaz perfect pentru care pV=(n1+n2) RT. Rezult deci :

212121

21

2

2

1

1 pppundedenn

pVRTi

nnpp

np

np

VRT

relaie ce reprezint legea lui Dalton.

ELEMENTE DE TERMODINAMICOrice proces din natur se produce cu respectarea legii de conservare a

energiei(nimic nu se pierde totul se transform).Legea conservrii energiei n procese termodinamice reprezint principiul I

al termodinamicii: pentru orice sistem nchis, se poate defini o funcie devariabilele de stare extensive, numit energie, care este conservativ att timpct sistemul nu schimb energie cu mediul exterior sau cu un alt sistemtermodinamic.

Orice proces n natur se explic pe seama energiei proprii (form deenergie) sau a schimbului de energie cu mediul exterior, deci matematic,principiul I al termodinamicii capt forma:

Enclzirea sistemuluiEfectuarea de lucrumecanic asuprasistemului

ERcirea sistemului

Extrag lucru mecanic dinsistem

ELEMENTE DE TERMODINAMICSe poate defini energia intern U, intrinsec asociat sistemului, prin relaia:

U = E- (Ec-Ep,ext)unde Ec este energia cinetic macroscopic, iar Ep,ext este energia potenialasociat forelor exterioare ce deriv dintr-o energie potenial.

Energia intern este o funcie de stare, deci o diferenial total exact.Energia intern conine dou tipuri principale de contribuii: energia cineticmicroscopic, care este suma energiilor cinetice a tuturor particulelorcomponente i energia potenial asociat tuturor forelor interne ce se exercitntre particulele sistemului.

Pentru un sistem nchis exist dou tipuri de schimburi de energie : primuleste prin lucru mecanic, iar al doilea este prin cldur.

Lucrul mecanic primit de sistem prin suprafaa ce-l delimiteaz, din parteaforelor ce se exercit asupra acestei suprafee, este datorat forelor exterioaremacroscopice de contact.

Cldura Q - form de transfer de energie care se manifest prinschimbarea strii de nclzire a sistemului termodinamic.

U Q L form diferenial:dU= Q+ W

ELEMENTE DE TERMODINAMICEnunul principiului al doilea al termodinamicii:

Pentru orice sistem nchis, exist o funcie extensiv, de variabilele destare, neconservativ, numit entropie, a crei variaie, ntre dou strisuccesive t1 i t2 (t2>t1) se scrie:

0SiTQScuSSS prodpprodp

Sp este entropia schimbat de sistem n cursul procesului, Sprod este produciade entropie, iar T o mrime intensiv, pozitiv, numit temperaturtermodinamic.

Este de remarcat c Sp este direct legat de cldura schimbat prinsuprafaa S ce delimiteaz sistemul. Termenul de producie de entropie areacelai semn pe intervalul t1 - t2, deci acest termen este cel ce determinsensul de evoluie al sistemului, permite de a numi ireversibile procesele realei furnizeaz o interpretare macroscopic conceptului de entropie.

Egalitatea Sprod=0 corespunde unor transformri reversibile. n acest uniccaz S= Sp.

ELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMICELEMENTE DE TERMODINAMIC