Termotehnică

CAPITOLUL I

NOŢIUNI FUNDAMENTALE

1.1. Sistem termodinamic, sursă de căldură, agent de lucru

Termodinamica studiază proprietăţile termice ale corpurilor în condiţii de echilibru energetic, precum şi procesele care conduc la stabilirea stărilor de echilibru.

Prin sistem, în general, se înţelege ansamblul de elemente între care există una sau mai multe relaţii unitare, în afară de relaţia conform căreia elementele aparţin sistemului. Sistemele pot fi studiate dintr-un punct de vedere macroscopic sau microscopic. Studierea macroscopică a termodinamicii pleacă de la analiza proceselor din natură şi cercetează proprietăţile generale, de ansamblu, ale sistemelor în condiţii de echilibru. Această metodă se utilizează pentru studiul sistemelor alcătuite dintr-un număr finit de corpuri, fiind uneori denumită şi termodinamica clasică.

Sistemul termodinamic este reprezentat prin corpuri care se găsesc în interacţiune mecanică şi termică, atât între ele, cât şi cu mediul înconjurător. Definirea unui sistem termodinamic se face prin limitele sale, care îl separă de mediul înconjurător şi care pot fi pereţi (pereţii unui recipient de gaz) sau suprafeţe imaginare (secţiuni ale unor conducte).

Sistemul termodinamic, spre deosebire de sistemul mecanic, schimbă energie cu mediul înconjurător sub formă de căldură şi lucru mecanic, sistemul mecanic putând schimba energie cu mediul înconjurător numai sub formă de lucru mecanic.

Sistem termodinamic adiabatic - sistemul care nu schimbă energie cu mediul exterior sub formă de căldură.

Sistem termodinamic izolat - sistemul care nu efectuează schimb de energie cu mediul înconjurător nici sub formă de căldură, nici sub formă de lucru mecanic.

Sistem lărgit - sistemul în care pe lângă sistemul iniţial s-a înglobat o parte a mediului exterior. Prin lărgirea sistemului se studiază o parte a legăturilor sistemului cu mediul ambiant, care în prima fază a studiului au fost excluse (un sistem adiabatic este un sistem lărgit faţă de sistemul izolat).

Sistem omogen - sistemul în care natura substanţei şi starea ei de agregare sunt aceleaşi, iar proprietăţile sunt aceleaşi în întregul sistem.

Sistem eterogen - sistemul format din substanţe de natură diferită sau în stări de agregare diferite, astfel încât în interiorul sistemului există discontinuităţi ale proprietăţilor (sisteme formate din apă şi vapori sau gheaţă şi apă).

Un corp omogen, aparţinând unui sistem eterogen, separat de celelalte părţi ale sistemului printr-o suprafaţă pe care anumite proprietăţi variază în salt, se numeşte fază (sistemul lichid – vapori de apă este un sistem bifazic).

Sistem închis - sistemul care conţine tot timpul aceeaşi cantitate de substanţă (Fig.1), deci sistemul a cărei suprafaţă de separaţie faţă de mediul ambiant este impermeabilă la schimbul de substanţă (gaz închis într-un cilindru cu piston).

Sistem deschis - sistemul la care suprafaţa de separaţie este permeabilă la schimbul de substanţă (Fig.2), adică sistemul schimbă substanţă cu mediul exterior (abur care are o trecere continuă prin turbină).

Fig.1. Sistem închis Fig.2. Sistem deschis

Sursă de căldură - un sistem care îşi menţine temperatura constantă oricâtă energie termică ar primi sau ar ceda (mediul ambiant).

Agent de lucru – o substanţă sau un amestec de substanţe cu energie în exces, prin intermediul căreia se obţine transformarea unei energii în alta.

- agent termic – produce sau transformă căldură sau frig într-o instalaţie termică;

- agent calorifer (încălzitor) – serveşte la transportul căldurii într-o instalaţie de încălzire sau condiţionare a aerului;

- agent frigorifer (de răcire) – preia căldura de la un sistem pentru ca temperatura acestuia să fie menţinută constantă, sub temperatura mediului ambiant;

- agent energetic – serveşte la realizarea ciclului energetic al unui sistem prin transformări succesive de stare (aburul, gazele de ardere, etc).

1.2. Stare termodinamică şi echilibru termodinamic

Starea unui sistem reprezintă totalitatea proprietăţilor fizice măsurabile ale corpurilor care compun sistemul.

Parametrii (mărimile) de stare reprezintă mărimile care caracterizează starea sistemului la un moment dat. Mărimile (parametrii) de stare ale unui sistem termodinamic sunt:

a) mărimi termice de stare – care se pot măsura direct: masa m [kg], presiunea p [N/m2], volumul V [m3] şi temperatura T [K] – denumite mărimi fizice de stare. Dependenţa dintre aceste mărimi este exprimată de funcţia F (m, p, V, T ) = 0, numită funcţie caracteristică de stare.

b) mărimi calorice de stare – care se determină pe baza valorilor mărimilor fizice de stare: energia internă U [J], entalpia I [J] şi entropia S [J/K].

Mărimile de stare prezintă diferenţiale totale exacte: dp, dV, dT, dU, dI, dS, putându-se clasifica astfel:

- mărimi intensive – ale căror valori sunt independente de masa sistemului (presiunea, temperatura);

- mărimi extensive – ale căror valori depind de masa sistemului (volumul, entalpia, entropia).

Starea fizică normală este starea de referinţă definită prin următoarele valori ale presiunii şi temperaturii: pN = 760 mmHg = 1,013.105 N/m2; TN = 273,15 K.

Un sistem se găseşte în echilibru termodinamic atunci când izolat fiind de acţiunile energetice ale mediului înconjurător îşi păstrează în timp aceeaşi stare macroscopică, adică schimbul de energie între părţile componente ale sistemului este nul. Starea de echilibru termodinamic se caracterizează prin repartizarea uniformă a densităţii, temperaturii şi presiunii în întregul sistem.

1.3. Postulatele termodinamicii

Condiţiile stării de echilibru termodinamic sunt exprimate prin cele două postulate ale termodinamicii.

Primul postulat al termodinamicii arată că un sistem izolat tinde de la sine spre starea de echilibru şi nu poate ieşi de la sine din această stare decât printr-o intervenţie exterioară (un schimb de energie) care are ca rezultat modificarea parametrilor de stare externi. Timpul în care un sistem ajunge în echilibru se numeşte timp de relaxare, durata acestuia depinzând de natura şi starea corpurilor care compun sistemul, ordinul lui de mărime fiind de (10-6…10-9) secunde. Din acest postulat decurge şi existenţa mărimilor de stare.

Postulatul al doilea al termodinamicii (principiul zero) se referă la echilibrul termic al unui număr de corpuri mai mare decât două şi a fost enunţat de către J.C.Maxwell, în anul 1891. Motivul pentru care a fost numit principiul zero este de natură istorică, deoarece el a apărut după ce se stabiliseră anterior principiile I şi II ale termodinamicii.

Poate fi enunţat într-o formă concisă astfel: două sisteme aflate în echilibru termic cu un al treilea simultan sau succesiv, se află în echilibru termic şi între ele.

Din principiul zero al termodinamicii rezultă că două sisteme se află în echilibru termic chiar dacă ele nu sunt în contact direct, fiind suficient ca un termometru să prezinte aceleaşi indicaţii pentru ambele sisteme.