I. NOIUNI TERMODINAMICE DE BAZ

Noiuni introductive

Termodinamica studiaz sisteme termodinamice care interacioneaz cu mediul exterior prin transfer de energie sub form de lucru mecanic i/sau cldur.

Toate substanele sunt formate din atomi i molecule, constitueni microscopici. Atomii sunt considerai molecule monoatomice.Agitaie termic/micare termic = micarea permanent, total dezordonat (haotic), spontan i dependent de temperatur a moleculelor componente ale oricrui corp, indiferent de starea lui de agregare

Fenomen termic = orice fenomen fizic legat de micarea permanent, complet dezordonat i dependent de temperatur care se manifest la nivel molecular (agitaie termic)

Gradul de libertate (i) al unei particule este oricare parametru care caracterizeaz poziia particulei i care se poate modifica independent n timp.O molecul monoatomic are trei grade de libertate, toate de translaie(i=3). O molecul diatomic are cinci grade de libertate, 3 de translaie i 2 de rotaie (i=5). O molecul poliatomic are ase grade de libertate: trei de translaie i trei de rotaie (i=6). Noiuni despre structura discret a substanei1. Unitatea atomic de mas reprezint a 12-a parte din masa atomic a izotopului de

carbon .

u=1,66kg

Unitatea atomic de mas a fost introdus n 1961 ca unitate convenional pentru masa atomic.2. Masa atomic este masa unui atom exprimat n uniti atomice de mas (m0A).

Masa molecular reprezint masa unei molecule exprimat n uniti atomice de mas (m0M).

Atomii i moleculele au mase egale cu, aproximativ, un numr ntreg de uniti atomice de mas.

3. Masa atomic relativ reprezint numrul care arat de cte ori masa unui atom este mai mare dect a 12-a parte din masa atomului de carbon . Masa atomic relativ aproximat la un numr ntreg devine egal cu numrul de mas A notat n sistemul periodic.

Ar=

Este o mrime adimensional4. Masa molecular relativ reprezint numrul care arat de cte ori masa unei molecule este mai mare dect a 12-a parte din masa atomului de carbon .

Mr=

Este o mrime adimensional.

Pentru a afla masa molecular relativ a moleculelor compuse se nsumeaz masele atomice relative ale atomilor ce compun molecula.

Ex: Mr(H2O)=21+16=18

5. Un mol de substan reprezint cantitatea de substan a crei mas, exprimat n grame, este numeric egal cu masa molecular relativ a substanei date.

Ex: 18g de ap reprezint un mol de ap.

Molul conine tot attea entiti elementare/particule ci atomi sunt n 12g de carbon .

Caracteristicile molului:

6. Masa molar () reprezint masa unui mol. Este o caracteristic a substanei.

=Mr g/mol=Mr10-3kg/mol

1kg/kmol=10-3kg/mol=1g/mol7. Volumul molar (V) reprezint volumul unui mol de substan.

Pentru lichide i solide, volumul molar depinde de natura substanei i foarte puin de temperatur i presiune.

Pentru gaze, volumul molar depinde de temperatur i presiune.Legea lui Avogadro: n aceleai condiii de temperatur i presiune, volumul molar al gazelor este acelai (un mol dintr-un gaz oarecare ocup acelai volum). Volume egale de gaze diferite, aflate la aceeai presiune i temperatur, conin acelai numr de molecule. Independent de natura gazului, n condiii normale de presiune i temperatur (t0=0C, p0=105N/m2) volumul molar are valoarea

Pentru o substan cu densitatea i masa molar , volumul unui mol este:

8. Numrul lui Avogadro reprezint numrul de molecule dintr-un mol de substan, independent de natura substanei.

NA=6,023molecule/mol

=NAm0=NAMru

Conform definiiei unitii atomice de mas u, NA este numrul de atomi de care au o mas egal cu 12g.9. Cantitatea de substan (numrul de moli din substan) ()

n SI molul este unitate de msur fundamental pentru cantitatea de substan.

1kmol=103moli

Cantitatea de substan se scrie ca raportul dintre o caracteristic a sistemului i o caracteristic similar a unui mol.

,

Numai pentru gaze

m masa de substan

N numrul de molecule/atomi dintr-o substan

V volumul de substan

Obs! A nu se confunda cantitatea de substan care este o msur a numrului de particule dintr-o substan cu masa care este o msur a ineriei.

10. Numr de molecule din unitatea de volum (numr volumic)/(concentraia)

n

Aplicaii

a)Masa unei molecule:

b)Volumul unei molecule:

Pentru gaze aflate n condiii normale

Pentru o substan cu densitatea : sau

c) distana minim/medie dintre molecule d Presupunnd c moleculele unui gaz sunt uniform distribuite i fiecare molecul ocup un volum de forma unui cub cu latura l=d - distana minim/medie dintre molecule, atunci

n jurul moleculelor exist o sfer de aciune intermolecular cu raza r i cu volumul V0=4r3/3. Distana intermolecular este d0=2r=2

d)Masa molar (medie) a unui amestec de gaze:

Noiuni de termodinamic

Sistem termodinamic = orice corp macroscopic sau ansamblu de corpuri macroscopice bine definite. Corpurile macroscopice care nu fac parte din sistemul termodinamic definesc mediul exterior. Sistemul termodinamic poate fi:

Neizolat dac interacioneaz cu mediul exterior

Izolat dac nu interacioneaz cu mediul exterior/nu schimb energie i nu schimb substan cu mediul exterior

SAU:

deschis ntre sistem i mediul exterior are loc i schimb de energie i de substan nchis ntre sistemul i mediul exterior exist schimb de energie dar nu i de substan

Parametri de stare mrimile fizice msurabile care determin starea (proprietile) sistemului termodinamic la un moment dat. Parametrii de stare pot fi Intensivi p, T, i extensivi V, m, , USAU:

De poziie V i de for - p

Parametrii de stare ai sistemelor termodinamice:

a)volum

Pentru o coloan de fluid de lungime L i aria bazei S, V=SL

b)densitate ,

c)presiune p= F/S

1atm=101325N/m21torr=1mmHg=1/760atm

1bar=105N/m2d)temperatura T

Stare de echilibru termodinamic (SET) starea n care toi parametrii de stare au valori constante n timp. SET se reprezint grafic printr-un punct ntr-un plan de coordonate p0V, numite coordonate Clapeyron.

Schimb de cldur ntre corpuri. Echilibru termic

Dou sisteme termodinamice sunt n contact termic dac ansamblul celor dou sisteme este izolat de exterior, iar ntre ele este posibil schimbul de cldur fr a fi posibil schimbul de lucru mecanic.

Dou sisteme termodinamice sunt n echilibru termic dac, odat aduse n contact termic, ntre ele nu mai are loc schimb de cldur..

Termostat = sistemul termodinamic a crui temperatur nu se modific n urma contactului termic cu alt sistem termodinamic. Pentru ca un ST s fie termostat trebuie ca el s aib mas i energie foarte mari.Temperatura este o mrime fizic scalar, fundamental ce caracterizeaz starea de echilibru termic a unui sistem.

Toate ST aflate n echilibru termic au aceeai temperatur.

Gradul Kelvin reprezint 1/273,15 din temperatura strii triple a apei i este unitate de msur fundamental n SI.

(Kelvin)

Temperatura n scara Kelvin se numete temperatur absolut. Temperatura egal cu zero T0=0K, corespunde strii materiei n care ar nceta micarea de agitaie termic a moleculelor (practic nu poate fi atins).

0K 273,150C

Corespondena ntre valoarea numeric a temperaturii n scara Celsius i valoarea numeric a acesteia n scara Kelvin:

unde T0=273,15K

Obs! T(K)= t(oC)Proces (transformare) termodinamic trecerea unui sistem termodinamic dintr-o stare n alta.

Proces cvasistatic un proces care se desfoar suficient de lent astfel nct sistemul parcurge o succesiune continu de stri intermediare de echilibru termodinamic (este un proces ideal). Procesul cvasistatic se reprezint printr-o curb continu n sistemul de coordonate p0V.

Proces reversibil proces n care succesiunea de stri de echilibru termodinamic prin care trece sistemul poate fi parcurs n ambele sensuri. Un proces reversibil este i cvasistatic. Nu orice proces cvasistatic poate fi i reversibil.

Proces ciclic dac starea final coincide cu starea iniial.

II. PRINCIPIUL I AL TERMODINAMICII

1. Energia intern a unui sistem termodinamic, mrime de stare

Energia intern a unui sistem reprezint suma dintre energiile cinetice ale tuturor moleculelor din sistem datorat micrii de agitaie termic i energiile poteniale determinate de interaciunile dintre molecule.

, 1J=1N1m = 1 kgm2/s2La trecerea sistemului dintr-o stare iniial de energie intern U1, ntr-o stare final de energie intern U2, indiferent de transformare, variaia U=U2-U1 nu depinde de strile intermediare prin care a trecut sistemul, ci doar de strile final i iniial. Aceasta nseamn c energia intern este o mrime de stare, ea fiind definit pentru strile de echilibru termodinamic.

Energia intern este o mrime aditiv, adic energia intern a unui sistem termodinamic este egal cu suma energiilor prilor componente ale sistemului.

Energia intern este funcie de temperatur: U=f(T)Schimbul de energie ntre dou sisteme se poate face pe dou ci:

- prin lucru mecanic, adic prin intermediul forelor de interaciune i a deplasrilor macroscopice (contact mecanic)

- prin schimb de cldur, adic prin contactul termic datorit unei diferene de temperatur (contact termic)

2. Lucrul mecanic n termodinamic, mrime de procesLucrul mecanic (L) reprezint energia pe care o schimb sistemul termodinamic cu exteriorul, n cazul n care parametrii lui externi de poziie (volumul) se modific.

Lucrul mecanic este o mrime fizic de proces, adic o mrime fizic asociat unei transformri. Lucrul mecanic depinde nu numai de strile iniial i final, ci i de transformarea prin care sistemul termodinamic trece din starea iniial n starea final.

Convenie de semn:

Lucrul mecanic efectuat/cedat de sistem asupra mediului exterior se consider pozitiv (Lcedat>0).

n destindere Vf>Vi V>0 Lefectuat>0

Lucrul mecanic primit de sistem din mediul exterior se consider negativ (LprimitV1, T2p1, T2V1Comprimare

V20 Qprimit>0U=constLprimitT1 V2>V1Qprimit>0U>0U2>U1Lprimit