Termotehnică si Masini termicePredarea este asigurata de

Ioana IONELprof. dr. ing. habil

Catedra de Termotehnică şi Maşini termicedin Fac Mecanică

Birou sala 131A in clădirea veche a Fac. de MecanicăTel 403670; e-mail: ioana.ionel@mec.upt.ro

As. dr. ing Gavril TRIF TORDAI (laborator si seminar), sala 174, et 1, Tel 40 3746, gavrila.trif@mec.upt.ro

Locatie Laborator Termotehnica: sala 111-112 et 1, Fac. Mecanica

Consulatii: Lunea, 12-14, cabinet, contact pe e-mail permanent

Cursul in webhttp://www.mec.upt.ro/~DEP4/

                                                                  

Curs download

Verificarea cunoştinţelor• pe parcursul semestrului,

prin teste la curs, verificarea rezultatelor experimentale resp. de calcul şi notarea lor, teme de casă, listă de subiecte pentru aprofundare, reţinerea prezenţei pentru corelarea ei cu nivelul de cunoştinţe.

• examen scris de verificare a cunostintelor

• prin nota finală, pentru care, conf. regulamentului de calcul din UPT, se folosesc coeficienţii de 0,66 respectiv 0,34 pentru ponderarea notei pentru activitatea pe parcurs, respectiv de la examinare. Calculaţia si rezultatele se analizeaza in prezenta tuturor studentilor si se afişează în extenso.

Predarea se face

• Cu folii in power point care trebuie downlodate din web inaintea cursului.

• Nu are efect superior doar audiera simpla, trebuie luate notitre pe folile cu prezentarea in power point

• Lucrari scrise fulger la curs vor asigura continuitatea procesului de invatare/verificare. Tema este din cursul predat sau din recapitulare anuntata.

Examen verificare scris• se programeaza două probe succesive, totalizand

2 – 2,5 ore max.:1. proba de teorie (scris) constă din întrebări ce vizează logica,

înţelegerea fenomenelor şi a principiilor şi legilor de bază,2. proba de probleme (scris) constă în verificarea capacităţii de

rezolvare a unor aplicaţii practice3. Proba de sustinere (oral) a unui referat in fata colectivului

grupei (optional)

• Notarea pentru examinare se face mediind aritmetic notele de la cele două probe (1 si 2), cu condiţia ca ambele note să fie peste 5.

BibliografieIonel, Ioana, Francisc Popescu, Introducere în termotehnică, curs suport şi în web, Ed. Politehnica, Timişoara, 2007.Ionel, Ioana, ş.a. Termotehnică. Aplicaţii, Ed. Politehnica, 2000, Timişoara.Jădăneanţ, M., Ionel, Ioana, ş.a., Termotehnică şi maşini termice în experimente, Ed. Politehnica, Timişoara, 2001.Oprişa-Stănescu, P. D., Ionel, Ioana, ş.a., Indrumător de laborator, Intrebări pentru stabilirea nivelului de cunoştiinţe la termotehnica. Lito, UPT, Timişoara, 1991.Ionel, Ioana, Ungureanu, C., Termoenergetica şi mediul, Ed. Politehnica, 2006, Timisoara.Ungureanu C., ş.a. Combustibili, Instalaţii de ardere, Cazane, Ed. Politehnica, 2006, Timişoara.Ionel Ioana, C. Ungureanu, Centrale termice. Cicluri termodinamice avansate, Edit. Politehnica, 2004, Timişoara

Evoluţie istorică

• Apariţia în anul 1824 a lucrării “Réflexion sur la puissance motrice de feu sur les machines propres a développer cette puissance” (Reflexii asupra puterii motrice a focului şi a maşinilor capabile să dezvolte această putere), concepută de inginerul militar Nicolas Léonard Sadi Carnot i-a adus autorului renume.

Evoluţie istorică• În lucrare se arată cum se obţine din energie termică energia

mecanică, formulând de fapt, ceea ce ulterior a fost denumit Principiul II al termodinamicii. Existau la momentul acela deja câteva realizări deosebite legate de fenomenele termice, dar lipsea o teorie închegată. Astfel savantul a pus bazele unei noi ştiinţe: termodinamica. Carnot concepe şi un ciclu termodinamic ideal, care se va dovedi ca ciclul de referinţă pentru toate celelalte cicluri termodinamice.

Evoluţie istorică• De fapt, termodinamica ca şi ramură a tehnicii a

marcat existenţa omului încă de la apariţia focului. Evoluţia sa a marcat esenţial evoluţia omenirii şi a determinat şi situaţia actuală. Grecii antici au dezvoltat conceptul de caloricum (flogiston), perpetuat apoi şi în Evul Mediu sub numele de căldură (chaleur, Wärme, heat), ca o substanţă fluidă, imponderabilă, uşor penetrabilă în corpuri, care se conservă, în stare de cauzalitate cu toate fenomenele termice din natură. Analogia cu apa era evidentă, denivelarea geodezică trebuia doar înlocuită cu diferenţa de temperatură.

Carnot• Primele maşini mecanice care au uşurat munca omului au

folosit ca sursa primară de energie combustibilul, care prin ardere, a eliberat energia termică, care apoi era transformată în energie mecanică. Astfel au fost inventate maşinile cu abur (Thomas Newcomen, 1705, James Watt 1784), care au dominat până în secolul 20. Bazele teoretice ale acestor aplicaţii practice au fost puse, sub forma Principiului doi al termodinamicii de abia de câtre savantului Carnot, preocupat de a elucida întrebarea legată de câtă parte din căldură se poate transforma în lucru mecanic şi care sunt condiţiile care fac posibilă această transformare. În acest scop, Carnot a conceput un ciclu termodinamic ideal reversibil, care îi poartă numele.

Mayer, Joule• Echivalenţa dintre căldură şi lucru mecanic, ca

forme de energie, adică Principiul întâi al termodinamicii, a fost enunţat de către Robert Julius Mayer (1842). El a calculat echivalentul mecanic al căldurii, care aproape concomitent a fost verificat experimental de James Prescott Joule (1843-48). Astfel s-a renunţat la învechita noţiune de caloricum, s-a conturat mai clar noţiuninea de căldură şi s-a pregătit definirea ulterioară a noţiunii de energie internă.

Avogadro

• A început să se dezvolte o nouă concepţie asupra căldurii, enunţându-se teoria mecanică a căldurii. Se atribuie materiei un caracter discret, particulele componente fiind moleculele şi atomii. Caracterul corpuscular al materiei şi agitaţia haotică a entităţilor microscopice fusese intuită încă din secolul XVIII, dar verificarea prezumţiilor s-a făcut doar de către Avogardo şi Brown, care au conceput astfel teoria cinetică a căldurii.

Clausius• Bazându-se pe descoperirile predecesorilor, în

1850, Rudolf Julius Emanuel Clausius reformulează principiile unu şi doi şi introduce noţiunea de entropie (1865), care va revoluţiona termodinamica. Astfel s-au pus bazele termodinamicii fenomenologice, care apoi a fost completată prin studiul experimental şi în parte teoretic al proprietăţilor termodinamice ale substanţelor. Tot Clausius concepe, în 1856, teoria termoelectricităţii.

Kelvin

• Independent, William Thomson (Lord Kelvin) publică în 1851 o teorie legată de degradarea energiei prin disipare şi producerea unor fenomene ireversibile. Savantul este cunoscut şi ca şi creator al scării termodinamice universale de temperatură ce-i poartă numele.

Rankine

• Nu se poate însă încheia lista savanţilor care şi-au adus o contribuţie esenţială la dezvoltarea termodinamicii în a doua treime a secolului 19, fără a-l aminti şi pe William John MacQuorn Rankine, un inginer scoţian, care a conceput ciclul termodinamic cu vapori ce-i poartă numele, prin care se produce energia mecanică din energie termică. Clausius şi-a adus şi el contribuţia la studiul acestui ciclu şi a instalaţiei complexe aferente, centrala termică cu vapori.

Beau de Rochas, Otto

• Tot cam din aceeaşi perioadă datează şi un alt ciclu termodinamic remarcabil, şi anume cilul motorului cu ardere explozivă. Teoretic studiat de Beau de Rochas (1862), a fost materializat de către Nicolaus Otto (1876). Deşi avea iniţial pregătire de comerciant, împreună cu Eugen Langen înfiinţează la Deutz, lângă Köln, fabrica în care îşi va concepe patentul, motorul Otto în patru timpi, cu aprindere prin scânteie.

Diesel

• Motorul cu aprindere prin compresie a fost dezvoltat în ultimii ani ai secolului. Inginerul Rudolf Diesel, îndemnat de profesorul său de la Universitatea Tehnică din München Carl Linde, încearcă să materializeze ciclul cunoscut Carnot. Reuşeşte însă să producă un alt tip de ciclul, cunoscut ulterior ca şi ciclul diesel (1897), şi să-l introducă în fabricaţie curentă la Augsburg şi Nürnberg (MAN).

De Laval

• Având în vedere că exista o fundamentare teoretică evoluată, au fost posibile şi alte invenţii. Turbina cu abur a fost realizată de Gustav Patrik de Laval (1889), iar la scurt timp (1897) apare şi turbina cu gaze.

Maxwell, Bolzmann

• Utilizând teoria cinetică a căldurii aplicată la gaze, James Clerk Maxwell şi Ludwig Bolzmann au pus bazele termodinamicii statistice, care reprezintă aspectul microscopic complementar al întregii termodinamici. Cu ajutorul acestei discipline noi, s-a putut stabili cauzalitatea dintre modul de comportare termodinamică a substanţelor reale şi în special a gazelor şi forţele care acţionează asupra moleculelor şi atomilor în timpul agitaţiei haotice.

Fenomen şi statistică• Pe când termodinamica fenomenologică a stabilit

macroscopic, experimental şi formal relaţiile dintre mărimile de stare, termodinamica statistică a fundamentat microscopic aceste relaţii, arătând că fenomenele termice corespund microscopic unor fenomene mecanice, electromagnetice, etc. S-a permis astfel şi fundamentarea teoretico-fizică a principiului al treilea, care are o bază experimentală mai restrânsă, fiind legat de temperaturi foarte scăzute.

Gibbs

• În paralel, având ca bază noile teorii şi noţiunea de entropie, se elaborează studii legate de starea de agregare a materiei, reacţiile chimice, proprietăţile amestecurilor. Aşa apare termodinamica chimică, ale cărei fundamente au fost elaborate de Josiah Willard Gibbs.

Nernst• Cele doua principii termodinamice cunoscute se

puteau aplica la reacţiile chimice, dar nu şi pentru stabilirea echilibrului termodinamic doar în baza datelor termice şi calorice, deoarece valorile entropiei diferitelor substanţe erau cunoscute doar parţial, lipsea o constantă. Acest gol a fost umplut de iniţializarea teoriei lui Walter Hermann Nernst, care, în 1906, a prognosticat că în jurul temperaturii de zero absolut, pentru orice substanţă, valoarea entropiei tinde spre zero.

Planck• Max Planck, părintele teoriei cuantice pentru care

de altfel a primit şi premiul Nobel pentru fizică în 1918, îi continuă cercetările şi determină, în 1906, constanta ce lipsea, adică entropia în apropiere de zero absolut. Formulează astfel Principiul al treilea al termodinamicii.

• Jules Henri Poincaré, inginer francez care a predat la Sorbonna şi Ecole Polytechnique din Paris, i-a pregătit terenul pentru această teorie, arătând că termodinamica este ştiinţa proprietăţilor macroscopice măsurabile.

Zeuner• Tot de la Planck, care a predat fizica teoretică la

universităţile din Kiel şi Berlin, datează şi renumitul manual Vorlesungen über Thermodynamik (Prelegeri de termodinamică), editat la Leipzig în 1897, recunoscut ca unul dintre primele compendii de termodinamică.

• Primul tratat de termodinamică tehnică fusese scris încă din 1859 de către Gustav Anton Zeuner, considerat pe drept cuvânt, alături de Rankine, ca şi creator al acestei discipline tehnice. Zeuner a descris în lucrarea sa foarte multe aplicaţii practice legate de generarea energiei termomecanice, în special pentru maşini cu abur şi cu gaz.

Molier

• Urmaşul său la catedră, Richard Molier (1863 - 1935) va deveni cunoscut în special datorită diagramei entalpie - entropie pentru apă, în baza căreia generaţii întregi de ingineri au putut proiecta procesele termodinamice ale maşinilor cu abur.

Bošnjaković• Prima jumătate a secolului 20 nu aduce nimic nou în

domeniul evolutiv al termodinamicii. De abia în 1941, profesorul de la MIT Cambridge din SUA (1900 - 1977) revine asupra teoriilor lui Gibbs şi Poincaré şi răspândeşte o teorie închegată, în special în ţările vorbitoare de limba engleză. Un scop principal atins a fost să se formuleze explicit care sunt condiţiile aplicabilităţii principiului doi al termodinamicii şi restricţiile sale naturale. Astfel apare noţiunea de energie utilizabilă (available energy), formulată pentru întâia oară de către G. H. Bryan şi reluată de profesorul de la universităţile din Belgrad, Zagreb şi apoi din Braunschweig şi Stuttgart, Fran Bošnjaković.

Rant

• Între anii 1953 şi 1963, termotehnicienii se pun de acord şi în final inginerul Zoran Rant (1904 - 1972) defineşte noţiunea de exergie şi analiză exergetică, care devine o metodă modernă şi complexă de analiză a funcţionării reale a maşinilor termice. Se conturează astfel o ramură distinctă a termodinamicii fenomenologice, şi anume termodinamica proceselor ireversibile.

Termodinamica, ştiinţa civilizaţiei

• Dezvoltarea aparatului matematic a revoluţionat şi metodele de studiu termodinamic, care devine o ştiinţă a sistemelor fizice măsurabile. Dezvoltarea explozivă a energeticii în secolul al XX-lea a făcut posibilă evoluţia cu paşi rapizi spre nivelul actual de civilizaţie şi confort al omenirii. Este discutabil, dacă acest nivel este şi favorabil procesului firesc evolutiv de pe mapamond, ştiind căt de mare este pericolul creării dezechilibrului ecologic prin acţiuni ireversibile antropice de poluare, care pun în pericol dezvoltarea durabilă (sustainable development) a planetei.

Concluzie

• În concluzie se poate spune, că în cadrul termodinamicii au lucrat şi au adus contribuţii foarte preţioase aproape toţi marii fizicieni ai lumii, precum şi o mulţime de ingineri şi chimişti, care şi-au adus aport teoretic şi experimental. Alte nume vor fi citate şi în cursul expunerii.

Obiectul termodinamicii• Termodinamica reprezintă acea parte a fizicii

macroscopice, în care se studiază relaţiile dintre fenomenele termice şi cele netermice (mecanice, electromagnetice etc.) care intervin în caracterizarea sistemelor fizico - chimice şi a transformărilor lor. În termodinamica clasică se studiază stările de echilibru (cvasi - echilibru) energetic, precum şi trăsăturile generale ale proceselor care conduc la stabilirea echilibrului (Vladea).

Ştiinţa despre energie• Termodinamica, în calitate de teorie şi metodă de cercetare

a proceselor ce se realizează cu schimburi energetice, se detaşează din ansamblul disciplinelor care formează bazele energeticii moderne. Fără exagerare, se poate defini că reprezintă ştiinţa despre energie. Aplicaţiile tehnice reprezintă o parte deosebit de importantă a termodinamicii şi se numeşte termodinamică tehnică sau termotehnică. Principalele probleme abordate se referă la producerea, transmiterea şi utilizarea căldurii. Studiul se face în baza unor principii şi postulate, adică a unor legi generale ale naturii care nu pot fi demonstrate matematic, ci doar verificate experiemntal (Theil).