Termotehnică

1. INTRODUCERE

OBIECTUL ŞI METODELE TERMOTEHNICII

Termotehnica este o ştiinţă tehnică, o ramură de bază a ştiinţelor naturii, al cărei obiect de studiu cuprinde proprietăţile termice ale materiei, legile şi principiile, precum şi mijloacele de producere, transformare, transmitere şi utilizare a energiei sub formă de căldură şi lucru mecanic în maşini şi instalaţii termice.

Domenii de preocupări:

• determinarea constantelor termice de material, de exemplu: căldură specifică masică şi volumică, conductivitate şi difuzivitate termică,…

• producerea surselor de energie termică în focarele cazanelor de apă sau abur, în cuptoare şi în camerele de ardere ale motoarelor

• transformarea reciprocă a căldurii în lucru mecanic în maşinile termice

• transferul de căldură între corpuri cu temperaturi diferite, de exemplu în schimbătoare de căldură

• utilizarea eficientă a energiei în maşini şi instalaţii termice optim dimensionate din punct de vedere constructiv

Studiul proceselor termice se bazează pe trei metode de cercetare:

• Metoda fenomenologică analizează observaţiile experimentale la scară macroscopică, la nivel de ansamblu al sistemelor, în condiţii de echilibru, fără a lua în considerare structura componentelor şi mişcarea acestora.

Această metodă stabileşte aşadar legi fundamentale pe cale experimentală.

• Metoda statistică analizează structura microscopică a materiei. Considerând sistemele ca fiind formate dintr-un număr foarte mare de particule elementare, în continuă mişcare şi în interacţiune reciprocă, cunoaşterea proprietăţilor acestor sisteme se poate realiza doar printr-un studiu statistic, folosind în acest scop calculul probabilităţilor. Rezultă astfel caracterul statistic al legilor care exprimă mişcarea moleculară internă.

• Metoda modelării analogice analizează procese din diferite domenii ale fizicii caracterizate de acelaşi model matematic. O metodă derivată o constituie metoda similitudinii fizice care studiază fenomene din acelaşi domeniu al fizicii, guvernate de acelaşi model matematic, dar la scări diferite.

Cercetarea proceselor energetice, însoţite de efecte termice, se poate realiza prin utilizarea proceselor combinate. În toate situaţiile, esenţială este însă modelarea matematică corectă a proceselor fizice, astfel încât aceasta să se apropie cât mai mult de desfăşurarea procesului real.

Din punct de vedere al domeniului de utilizare s-au dezvoltat două ramuri tehnice care au aceleaşi metode de studiu şi operează cu aceleaşi mărimi, dar care se aplică în domenii diferite şi anume, termodinamica tehnică, numită termotehnică şi termodinamica chimică.

2. NOŢIUNI FUNDAMENTALE

SISTEM TERMODINAMIC

Orice studiu întreprins în domeniul termotehnicii presupune definirea obiectului supus cercetării.

Acest obiect (cantitate de substanţă, zonă din spaţiu), delimitat cu precizie de o suprafaţă, numită frontieră, de mediul înconjurător şi care este studiat din punct de vedere al schimbului de energie şi de substanţă, reprezintă un sistem termodinamic.

Mediul înconjurător este o zonă din spaţiu aflată în afara sistemului definit. El reprezintă de fapt un rezervor imens de energie şi de substanţă (apă, aer, pământ), care nu-şi modifică starea termodinamică în urma interacţiunilor cu sistemul termodinamic considerat, dar care poate modifica starea sistemului.

Este important de menţionat că proprietăţile trebuie să varieze continuu pe suprafaţa aleasă ca frontieră. Frontiera este o suprafaţă nu un sistem, prin urmare valoarea unei mărimi măsurată într-un punct de pe frontieră trebuie să fie aceeaşi atât pentru sistem cât şi pentru mediul înconjurător, întrucât sistemul şi mediul înconjurător sunt în contact în acest punct.