NOŢIUNI TERMODINAMICE DE BAZĂ NOȚIUNI INTRODUCTIVE Termodinamica studiază sisteme termodinamice care interacţionează cu mediul exterior prin transfer de energie energie sub formă de lucru lucru mecanic şi/sau căldură. căldură. Fenomen termic reprezinta orice fenomen fizic legat legat de mişcarea permanentă, permanentă, complet dezordonată şi dependentă de temperatură care se manifestă la nivel molecular (agitaţie termică) Toate substanele sunt formate din atomi şi molecule, constituenţi microscopici. !tomii sunt considerai molecule monoatomice. Agitaţie termicămi!care termică este mişcarea permanentă, permanentă, total dezordonată dezordonată ("aotică) şi dependentă de temperatură temperatură a moleculelor componente componente ale oricărui corp, indiferent de starea lui de agregare agregare "rad#$ de $i%ertate (i) al unei particule este oricare parametru care caracterizează poziţia particulei şi care se poate modifica independent #n timp.$ moleculă monoatomică are trei grade de libertate de translaţie(i%&). $ moleculă diatomică are cinci grade de libertate, & de translaţie 'i de r otaie (i%). $ moleculă poliatomică are şase grade de libertate* trei de translaţie şi trei de rotaţie r otaţie (i%&). +(
C
NOŢIUNI DE&'RE &TRUCTURA DI&CRETĂ A &UB&TANŢEI Unitatea atomică de ma(ă reprezintă a +a parte din masa atomică atomică a izotopului izotopului de carbon (.
* +u%+,-- +/ 0g Ma(a atomică este masa atomului exprimată #n unităi atomice de masă. Ma(a mo$ec#$ară reprezintă masa unei molecule. !tomii 'i moleculele au mase egale cu, aproximativ aproximativ,, un număr #ntreg de unităi atomice de masă. Ma(a atomică re$ati)ă reprezintă numărul care arată de c1te ori masa unui atom este mai mare dec1t a +a parte din masa atomului de carbon C . 2asa atomică relativă aproximată aproximată la un număr #ntreg devine egală cu cu numărul de masă ! notat #n sistemul periodic. -
+( -
!r %
mOA + +mC
mOA u
mOA u Ar
Ma(a mo$ec#$ară re$ati)ă reprezintă numărul care arată de c1te ori masa unei molecule este mai mare dec1t a +a parte din masa atomului de carbon C . +( -
2r %
mOM + + mC
m OM u
3ste o mărime adimensională. 4entru a afla masa moleculară relativă a moleculelor compuse se #nsumează masele atomice relative ale atomilor ce compun molecula. 3x* 2r (5 (5$)%6+7+-%+8 9n mo$ de substană reprezintă cantitatea de substanţă a cărei masă, exprimată #n grame, este numeric egală cu masa moleculară relativă a substanţei date. 3x* +8g de apă reprezintă un mol de apă. apă. 2olul conţine tot at1tea entităţi elementare c1ţi atomi sunt #n +g de carbon C . :n ;< mo$#$ e(te #nitate de mă(#ră *#ndamenta$ă +entr# cantitatea de (#%(tanţă. +0mol%+&moli +( -
Caracteri(tici$e mo$#$#i, Ma(a mo$ară (=) reprezintă masa unui mol. 3ste o caracteristică a substanţei. SI Kg / mol =%2r g/mol%2 g/mol%2r 6+ 6+&0g/mol +0g/0mol%+&0g/mol%+g/mol
Vo$#m#$ mo$ar (>=) reprezintă volumul unui mol de substană. +
V
m & / mol
SI
4entru lic"ide 'i solide, volumul molar depinde de natura substanei 'i foarte puin de temperatură 'i presiune. 4entru gaze, volumul molar depinde de temperatură 'i presiune. ?onform legii lui !vogadro, #n acelea'i condiţii de temperatură şi presiune, volumul molar al gazelor este acela'i (un mol dintrun gaz oarecare ocupă acela'i volum).
4entru o substană cu densitatea C 'i masa molară =, volumul unui mol este*
m V
V
N#măr#$ $#i A)ogadro reprezintă numărul de entităi elementare dintrun mol de substanţă, inde+endent de nat#ra (#%(tanţei . A!%-,& +/ molecule/mol =%A!m%A!2r u ?onform definiiei unităii atomice de masă u, A ! este numărul de atomi de C care au o masă egală cu +g. Cantitatea de (#%(tan.ă (D) reprezintă numărul de moli din substană.
(&
+( -
m
N N A
/ 4entru gaze
V
0 m E masa de substanţă 0 A E numărul de molecule/atomi
V
dintro substanţă0 > E volumul de substanţă n
N V
, n Enumăr de molecule din unitatea de volum (număr volumic)/(concentraia), n SI m &
A+$icaţii
Ma(a #nei mo$ec#$e*
Vo$#m#$ #nei mo$ec#$e*
m/ N A
m/
+
N A
m/
+
4entru gaze aflate #n condiii normale
N A
v
4entru o substană cu densitatea C*
V N A
v
m
N A
V V
V
V N A
N A
sau
N A
Di(tanţa minimămedie dintre mo$ec#$e se afla considear1nd că moleculele unui gaz sunt uniform distribuite 'i fiecare moleculă ocupă un volum de forma unui cub cu latura l%d v d & d & V
/
N A
:n urul moleculelor există o sferă de aciune intermoleculară cu raza r 'i cu volumul > %BGr &/&. Histana intermoleculară este d %r% & total
&v B
Ma(a mo$ară 1medie2 a #n#i ame(tec de ga3e, mtot amestec
+ (
m+ m( amestec
amestec
mk k
NOȚIUNI DE TERMODINAMICĂ
&i(tem termodinamic reprezinta orice corp macroscopic sau ansamblu de corpuri macroscopice bine definite. ?orpurile macroscopice care nu fac parte din sistemul termodinamic definesc mediul exterior. ;istemul termodinamic poate fi* ;.T. neizolat E ;.T. care interacţionează cu mediul exterior ;.T. izolat E ;.T. care nu interacţionează cu mediul exterior/nu sc"imbă energie şi nu sc"imbă substanţă cu mediul exterior ;.T. desc"is E #ntre sistem şi mediul exterior are loc şi sc"imb de energie şi de substanţă ;.T. #nc"is E #ntre sistemul şi mediul exterior există sc"imb de energie dar nu şi de substanţă 'arametri de (tare sunt mărimi fizice măsurabile care determină starea (proprietăţile) sistemului termodinamic la un moment dat. 4arametrii de stare pot fi o 4arametri intensivi E p, T, C 'i parametri extensivi E >, m, I, 9 o 4arametri de poziţie E > 'i parametri de forţă p 'arametrii de (tare ai (i(teme$or termodinamice*
presiunea p% F/; p SI
N + Pa J +atm%++&A/mJ +torr%+mm5g%+/-atmJ +bar%+ A/m m
volumul V SI m & J pentru o coloană de fluid de lungime K 'i aria bazei ;, >%;KJ temperaturaJ densitatea. &tare de ec4i$i%r# termodinamic E starea #n care toi parametrii de stare au valori constante #n timp. &c4im% de că$d#ră -ntre cor+#ri/ Ec4i$i%r# termic Houă corpuri (sisteme termodinamice) sunt #n contact termic dacă ansamblul celor două sisteme este izolat de exterior, iar #ntre ele este posibil sc"imbul de căldură fără a fi posibil sc"imbul de lucru mecanic. Houă corpuri (sisteme termodinamice) sunt #n ec4i$i%r# termic dacă, odată aduse #n contact termic, #ntre ele nu mai are loc sc"imb de căldură iar temperatura este aceeaşi. Termostat % sistemul termodinamic a cărui temperatură nu se modifică #n urma contactului termic cu alt sistem termodinamic Temperatura absolută T este o mărime fizică scalară, fundamentală ce caracterizează starea de ec"ilibru termic a unui sistem. T SI K (Lelvin) Mradul Lelvin reprezintă +/&,+ din temperatura stării triple a apei 'i e(te #nitate de mă(#ră *#ndamenta$ă -n &I/ Temperatura absolută, egală cu zero T %L, corespunde stării materiei #n care ar #nceta mi'carea de agitaie termică a moleculelor (practic nu poate fi atinsă). LN &,+ ? ?orespondenţa #ntre valoarea numerică a temperaturii #n scara ?elsius şi valoarea numerică a acesteia #n scara Lelvin* T K (.&,+) t C T K T o t C unde T%&,+L O%(er)atie, 5T1627 5t1oC2 'roce( 1tran(*ormare2 termodinamic E trecerea unui sistem termodinamic dintro stare #n alta. 'roce( c)a(i(tatic E un proces care se desfă'oară suficient de lent astfel #nc1t sistemul parcurge o succesiune continuă de stări intermediare de ec"ilibru termodinamic (este un proces ideal). 4rocesul cvasistatic se reprezintă printro curbă continuă #n sistemul de coordonate p>. 'roce( re)er(i%i$ E proces #n care succesiunea de stări prin care trece sistemul poate fi parcursă #n ambele sensuri. 9n proces reversibil este şi cvasistatic. Au orice proces cvasistatic poate fi şi reversibil. 'roce( cic$ic – dacă starea finală coincide cu starea iniţială.
'RINCI'IU8 I A8 TERMODINAMICII
Energia internă a #n#i (i(tem termodinamic9 mărime de (tare &
3nergia internă a unui sistem reprezintă suma dintre energiile cinetice ale tuturor moleculelor din sistem datorată mişcării de agitaţie termică, energiile potenţiale determinate de interacţiunile dintre molecule şi energiile potenţiale datorate interacţiunii moleculelor cu c1mpuri de forţe exterioare (gravitaţional, electric, magnetic).
U SI
+ J
Ka trecerea sistemului dintro stare iniţială de energie internă 9 +, #ntro stare finală de energie internă 9, indiferent de transformare, variaţia O9%9 9+ nu depinde de stările intermediare prin care a trecut sistemul, ci doar de stările finală şi iniţială. !ceasta #nseamnă că energia internă este o mărime de (tare9 ea fiind definită pentru stările de ec"ilibru termodinamic. 3nergia internă este o mărime aditi)ă, adică energia internă a unui sistem termodinamic este egală cu suma energiilor părţilor componente ale sistemului. 3nergia internă este *#ncţie de tem+erat#ră* 9%f(T) Sc!m"ul de energ!e #ntre dou$ s!steme termod!nam!ce se poate %ace pe dou$ c$!&
prin lucru mecanic, adică prin intermediul forţelor de interacţiune şi a deplasărilor macroscopice (contact mecanic)J prin sc"imb de căldură, adică prin contactul termic datorită unei diferenţe de temperatură (contact termic).
8#cr#$ mecanic -n termodinamică9 mărime de +roce(
Kucrul mecanic (K) reprezintă energia pe care o sc"imbă sistemul termodinamic cu exteriorul, #n cazul #n care parametrii lui externi de poziţie (volumul) se modifică. Kucrul mecanic este o mărime *i3ică de +roce(, adică o mărime fizică asociată unei transformări. Kucrul mecanic depinde nu numai de stările iniţială şi finală, ci şi de transformarea prin care sistemul termodinamic trece din starea iniţială #n starea finală. Con)en.ie de (emn, Kucrul mecanic efectuat/cedat de sistem asupra mediului exterior se consideră pozitiv (KcedatP). :n destindere >f P>i N O>P N Kefectuat P Kucrul mecanic primit de sistem din mediul exterior se consideră negativ (K primitQ). :n comprimare >f Q>i N O>Q N K primitQ Hacă O>%, sistemul termodinamic nu face sc"imb de energie sub formă de lucru mecanic cu mediul exterior N K% Inter+retarea geometrică a $#cr#$#i mecanic Hin punct de vedere geometric, lucrul mecanic este numeric egal cu aria suprafeei delimitată de graficul transformării p%f(>), axa $> şi paralele la ordonată duse prin stările iniţială şi finală. !ceastă interpretare geometrică a lucrului mecanic este valabilă atunci c1nd transformare este reprezentată #n sistemul p$>.
V (
'
pdV % ;
V +
4entru un ciclu termodinamic, reprezentat #n p$>, lucrul mecanic este egal cu aria ciclului.
Că$d#ra9 mărime de +roce( B
?ăldura (R) reprezintă energia pe care o sc"imbă un sistem termodinamic cu exteriorul, prin mişcările dezordonate ale moleculelor. ?ăldura reprezintă energia transferată #ntre sistem şi mediul exterior datorită diferenţei de temperatură dintre acestea. ( SI +J +cal%B,+8 S Con)enţii de (emn, ?ăldura primită de sistem se consideră pozitivă N R pP ?ăldura cedată de sistem se consideră negativă N R cQ :n procesul adia%atic, sistemul termodinamic nu sc"imbă căldură cu mediul exterior (R%). :n)e$i;#$ adia%atic este #nvelişul care nu permite sc"imbul de căldură #ntre sistem şi mediul exterior. (modificarea stării de ec"ilibru termodinamic se face doar prin sc"imb de lucru mecanic) ?ăldura este o mărime *i3ică de +roce(. Kucrul mecanic şi căldura nu sunt forme de energie, ci forme ale sc"imbului de energie #n procesele termodinamice, deci sunt mărimi de +roce(. 3le depind de natura procesului termodinamic.
'rinci+i#$ I a$ termodinamicii se referă la modul #n care variază energia internă a unui sistem care interacţionează mecanic sau termic cu mediul exterior. >ariatia energiei interne #ntro transformare termodinamică este egală cu energia transferată către sistem #n cursul transformării, sub formă de lucru mecanic 'i căldură.
:n orice +roce( termodinamic9 )ariaţia 5U a energiei interne a #n#i (i(tem termodinamic9 de+inde doar de (tări$e iniţia$e ;i *ina$e a$e (i(tem#$#i9 *iind inde+endentă de (tări$e intermediare +rin care e)o$#ea3ă ace(ta. ?oncluzie* O9 nu depinde de transformare de stare O9 E variaţia energiei interne a sistemului, #n timpul transformării, U U % U ! )ormularea I&
Că$d#ra +rimită de #n (i(tem e(te ega$ă c# )ariaţia energiei interne a (i(tem#$#i +$#( $#cr#$ mecanic e*ect#at de (i(tem/ <7 5U = 8 > expresia matematică a principiului < al termodinamicii )ormularea II&
!cest principiu exprimă este o lege generală de conservare a energiei 'i transformării energiei #n procesele termodinamice. Con(ecin.e, dacă sistemul termodinamic este izolat atunci energia internă se conservă. ( / *' / � U / � U % U ! / � � U % U ! const+ , adică energia internă răm1ne constantăJ dacă sistemul termodinamic efectuează o transformare ciclică U % U ! � U / , atunci (,'. ?oncluzie* ;istemul termodinamic poate efectua lucru mecanic (KP) numai dacă primeşte căldură din exterior (RP) şi poate Uprimi lucru mecanic de la mediul exterior numai dacă cedează căldură acestuia (RQ). Heci, este imposibilă construirea unui motor care să funcţioneze ciclic fără să primească căldură de la mediul exterior (perpetuum mobile de speţa <). Consec!nta& N# e(te +o(i%i$ă rea$i3area #n#i +er+et##m mo%i$e de (+e.a I9 adică a #nei ma!ini termice care ar e*ect#a $#cr# mecanic -ntr>#n +roce( cic$ic *ără (ă +rimea(că că$d#ră din e?terior/ 187<2 dacă nu se face sc"imb de căldură cu mediul exterior (sistemul termodinamic se află #ntrun #nveliş adiabatic) atunci variaţia energiei interne va fi egală cu lucrul mecanic sc"imbat de sistem cu mediul exterior O9% K.
Coe*icienţii ca$orici sunt mărimi fizice ce stabilesc o dependenţă #ntre căldura primită sau
cedată de un corp şi variaţia temperaturii sale. !ceastă dependenţă este determinată de natura corpului şi de condiţiile fizice #n care are loc sc"imbul de căldură (tipul de transformare/proces termodinamic).
Ca+acitatea ca$orică este o mărime fizică egală cu căldura necesară unui corp pentru aşi varia (cre'te sau mic'ora) temperatura unui corp cu un grad. R ? C SI + J / K T
OT% Tf Ti variaia temperaturii ?apacitatea calorică este o caracteristică termică a corpului.
Că$d#ra (+eci*ică este o mărime fizică egală cu căldura necesară unităţii de masă dintrun corp pentru aşi varia temperatura cu un grad. c
(
mT C c C mc m
c SI + J / KgK
?ăldura specifică este o caracteristică termică a materialului din care este alcătuit corpul. 4entru gaze, căldura specifică depinde de transformarea #n care se face sc"imbul de căldură.
Că$d#ra mo$ară este o mărime fizică egală cu căldura necesară unui mol de substanţă pentru aşi varia temperatura cu un grad. C
(
T C C C C c m /
C
SI
+ J / molK
?ăldura molară este o caracteristică termică a substanţei.
Ec#aţia ca$orimetrică Hacă două corpuri cu temperaturi diferite sunt aduse #n contact termic #ntro incintă izolată de mediul exterior atunci căldura cedată de corpul mai cald este egală cu căldura primită de corpul mai rece. ( pr!m!t
(cedat
?orp +* m+, T+PT, c+ ?orp * m, T, c :n urma contactului termic corpurile aung la aceeaşi temperatură finală de ec"ilibru T R primit%mc(TT) Rcedat%m+c+(TT+) mc(TT)%V m+c+(TT+) V
"AZU8 IDEA8/ 8E"I8E "AZU8UI IDEA8 Mazul ideal reprezintă un model simplificat al gazelor reale. Ka temperaturi suficient de mari 'i presiuni mici, gazele reale se comportă la fel ca 'i gazele ideale. Caracteri(tici$e ga3#$ idea$ -
Mazul este format dintrun număr foarte mare de molecule identice, al căror număr #n unitatea de volum este acelaşi Himensiunile moleculelor sunt mici #n comparaţie cu distanţele relative dintre ele, astfel #nc1t ele sunt considerate puncte materiale şi pot avea numai o mişcare de translaţie nu şi de rotaţieJ 2oleculele se află #n mişcare "aotică şi continuă, iar mişcarea fiecărei molecule are loc conform legilor mecanicii clasice @orţe$e intermo$ec#$are (e neg$iea3ă0 -ntre do#ă ciocniri mo$ec#$e$e (e mi;că #ni*orm +e traiectorii recti$inii ?iocnirile dintre molecule şi dintre molecule 'i pereţii incintei sunt perfect elastice.
Ec#aţia termică de (tare (sau ecuaia ?lapeWron2endeleev) a ga3#$#i idea$ exprimă o relaie #ntre parametrii de stare ai gazului ideal* p, >, T, D pV -T pV
unde -
p V T
8,&+
m N -T pV -T N A
J este constanta universală a gazelor ideale mol K
X nu depinde de natura gazelor
Den(itatea ga3#$#i idea$
m V
p -T
Hensitatea gazului ideal #n condiii normale >ariaţia densităţii cu temperatura* /
, SI +kg / m &
p -T
p T /
p / T
N#măr#$ de mo$ec#$e din #nitatea de )o$#m * pV
,
N N A
-T n
N V
pN A -T
Tran(*ormări$e8egi$e ga3#$#i idea$
Tran(*ormarea i3otermă, T7con(t/9 m7con(t/ Kegea transformării izoterme* :ntro transformare izotermă, presiunea unui gaz ideal variază invers proporţional cu volumul gazului. p>%ct N p%ct/>N p +>+%p> >P>+NpQp+, >Q>+N pPp+ Transformarea izotermă se reprezintă grafic #n sistemul 4$> printro "iperbolă ec"ilateră.
Tran(*ormarea i3o%ară, +7con(t/9 m7con(t/ Kegea transformării izobare* :ntro transformare izobară, volumul gazului ideal variază direct proporţional cu temperatura absolută.
V T
%ctN >%ct6T N
V + V ( T + T (
TPT+N >P>+, TQT+N >Q>+
Re+re3entări gra*ice
Tran(*ormarea i3ocoră, V7con(t/9 m7con(t Kegea transformării izocore* :ntro transformare izocoră, presiunea variază direct proporţional cu temperatura absolută.
p T
%ctN p%ct6T N
p+ p T + T
TPT+N pPp+, TQT+N pQp+
Re+re3entări gra*ice
Tran(*ormarea adia%atică, <79 m7con(t/ ?1nd procesele termodinamice se produc rapid, ele pot fi considerate procese adiabate. 3cuaţia 4oisson, care descrie transformarea adiabată, are trei forme* pV g const+ TV
g +
const+
+g
Tp
g
p+V+ pV TV + +
+
+
const+
T+ p+
TV + +
T( p(
:n planul p$> panta adiabatei este mai mare dec1t panta izotermei. 4entru aceeaşi destindere/comprimare variaţia presiunii este mai mare #n procesele adiabatice dec1t #n cele izoterme. (tgY)ad%Z6(tgY)iz
8
Tran(*ormare genera$ă m7con(t/
p+V + -T + p V -T
p+V + T +
p V T
Tran(*ormare genera$ă $iniară, +7aV9 a7ct9 a9 m7con(t/ p+ aV + p ( aV (
p+ V +
p ( V (
p const . V
p+V + -T + p V -T
p+V + T +
p V T
8egi$e ga3#$#i idea$ (e a+$ică n#mai dacă m7con(t 17con(t2 !tunci c1nd cantitatea de gaz se modifică (se pierde gaz din incintă sau se introduce gaz #n incinta respectivă) (e *o$o(e;te ec#aţia termică de (tare (cri(ă +entr# (tarea iniţia$ă9 re(+ecti) *ina$ă a ga3#$#i/ p+V p V
m+ m
-T + m+ -T m
p+V -T + p V -T
mevacuat m+ m( mead$ad$u m ( m+
A'8ICAREA 'RINCI'IU8UI I A8 TERMODINAMICII 8A TRAN&@ORMĂRI8E "AZU8UI IDEA8 Energia internă a ga3#$#i idea$ ( monoatomic, biatomic, poliatomic) 4entru gazul ideal, moleculele sunt identice, deci au aceea'i masă 'i se negliează forţele intermoleculare astfel că se negliează orice energie potenţială datorată forţelor intermoleculare. 3nergia internă a gazului ideal este egală cu energia cinetică totală de agitaie termică a moleculelor gazului. ! 3nergia cinetică medie a unei molecule este* % kT i E număr grade de libertate
(
!
3cuaţia calorică de stare a gazului ideal se exprima* 9% ( -T
! m -T C V T (
3nergia internă a gazului ideal este funcţie numai de temperatură. 9%9(T). Hacă gazul ideal este monoatomic (5e, Ae), moleculele au doar mişcări de translaţie (i%&) şi energia internă este dată de relaţia 9%
& (
-T
%
& (
pV
[
Hacă gazul ideal este biatomic ($ , A , 5 ), moleculele au mişcări de translaţie şi de rotaţie (i%) şi energia internă este dată de relaţia 9%
) (
-T
4entru gazul poliatomic i%- şi 9%
(
%
) (
-T
pV
%
(
pV
Re$aţia $#i Ro%ert>Maer stabileşte legătura dintre căldurile molare sau căldurile specifice
ale unui gaz ideal la presiune constantă şi la volum constant* Haca >%const N C
Haca p%const N
C V
C C P
!-
C p C V - 0 c p c >
X
, ?> E căldură molară izocoră
(! ) -
, ?4 E căldură molară izobară
X E constanta universală a gazelor idealeJ c 4 căldura specifică izobară, c > E căldura specifică izocoră ?>%c>6\, ?4%c46\ Heterminarea ?4 şi ?> #n funcţie de exponentul adiabatic Z C P C V g
C P C V
C V
g +
, C P
-g g +
'rinci+i#$ II a$ termodinamicii Tran(*ormare monotermă este transformarea #n care sistemul termodinamic sc"imbă căldură cu un singur temostat/sursă caldă. Tran(*ormarea %itermă este transformarea #n care sistemul termodinamic sc"imbă căldură cu două termostate av1nd temperaturi diferite. ?onform principiului < poate avea loc o transformare integrală a căldurii #n lucru mecanic #ntrun proces ciclic #n care se sc"imbă căldură cu un singur termostat . 3xperiena arată că #n realitate nu este posibilă transformarea integrală a căldurii #n lucru mecanic, adică nu este posibilă obinerea de lucru mecanic #ntro transformare ciclică #n care se sc"imbă căldură cu un singur termostat. 4entru a exprima imposibilitatea transformării integrale a R #n K, ]. T"omson (lord Lelvin) a formulat următorul principiu* @orm#$area T4om(on +entr# +rinci+i#$ II , 3ste imposibilă o transformare ciclică monotermă reversibilă av1nd ca unic rezultat transformarea integrală a căldurii primite #n lucru mecanic. Hacă transformarea ciclică monotermă este 'i ireversibilă atunci sistemul prime'te lucru mecanic din exterior. !l doilea principiul al termodinamicii afirmă imposibilitatea transformarea integrală a căldurii primite #n lucru mecanic numai #n cazul transformării monoterme ciclice reversibile. :n cazul transformărilor monoterme desc"ise, această transformare este posibilă. (ex* transformarea izotermă). !tunci c1nd două corpuri cu temperaturi diferite sunt #n contact termic, căldura trece de la sine de la corpul mai cald la corpul mai rece. @orm#$area C$a#(i#( +entr# +rinci+i#$ II, 3ste imposibil un proces #n care c ăldura să poată trece de la sine de la un corp cu temperatură dată la un corp cu temperatură mai ridicată, adică fără un consum de lucru mecanic.
MOTOARE TERMICE
Motor#$ termic este un dispozitiv care transformă energia termică #n energie mecanică(lucru mecanic util). Toate motoarele termice au o substanţă de lucru care suferă o serie de transformări, #n procese ciclice. 3nergia termică primită este rezultată din arderea unui combustibil. :n funcţie de locul unde are loc arderea combustibilului, motoarele se clasifică #n. motoare cu ardere externă (utilizate la locomotivele cu aburi sau la turbinele cu aburi)
+
motoare cu ardere internă (motorul cu aprindere prin sc1nteie, motorul Hiesel, motoarele cu reacie) ?ăldura obinută este transmisă substanei de lucru (aer, gaze de ardere) care #'i măresc presiunea 'i apasă pe pistonul mobil al unui cilindru pun1ndul #n mi'care, produc1nduse lucru mecanic. Hurat deplasării pistonului #n cilindru #ntre poziţiile sale extreme se numeşte tim+ de *#ncţionare/ ;uccesiunea de transformări la care participă substanţa de lucru reprezintă ciclul de funcţionare al motorului. Transformarea ciclică* O9% ( :ntro transformare ciclică bitermă, lucrul mecanic efectuat este K%R% ( 2otorul termic primeşte căldură de la o sursă caldă, tran(*ormă o +arte din că$d#ră -n $#cr# mecanic #ti$ şi cedează diferenţa sub formă de căldură unei surse reci. P
C
Randament#$ #nei ma!ini termice este egal cu raportul dintre lucrul mecanic efectuat de motor şi căldura absorbită de la sursa caldă.
' ( P
( P (C ( P
+
(C ( P
Xandamentul nu are unitate de măsură (este o mărime fizică adimensională).
<+
4uterea motorului* P
' t
( p
t
2aşina frigorifică absoarbe căldură de la sursa rece 'i o transmite unei surse calde, consum1nd pentru aceasta un lucru mecanic din exterior.
Motor#$ Carnot
Ciclul Carnot este o transformare ideală, reversibilă, substana
de
lucru fiind un gaz ideal. 3este alcătuit din* + destindere izotermă ( & destindere adiabatică & B comprimare izotermă B + comprimare adiabatică ?arnot a arătat că randamentul oricărei ma'ini reversibile care lucrează #ntre acelea'i temperaturi T min 'i Tmax este
C
+
T min T max
$rice altă ma'ină care lucrează #ntre acelea'i două temperaturi nu poate avea randamentul mai mare ca ^?. 2otoarele cu ardere internă au randamentul p1nă #n B_.
Motor#$ OTTO este un motor #n B timpi, cu aprindere prin sc1nteie, cu ardere internă (arderea combustibilului se face #n interiorul cilindrului motorului). ?iclul de funcţionare este reprezentat de o transformare ciclică formată din 2 transformări izocore şi 2 transformări adiabatice. ?ombustibilul folosit* amestec de vapori de benzină şi aer. 4istonul cilindrului permite #n deplasarea sa comprimarea şi destinderea amestecului carburant prin deplasarea sa alternativă #ntre punctele de volum maxim, respectiv minim numite punctul mort inferior(42<) şi punctul mort superior(42;). :n deplasarea sa pistonul antrenează mecanismele care trebuiesc puse #n mişcare prin acţiunea motorului printrun sistem bielămanivelă. 4rin acest sistem mi'carea rectilinie alternativă a pistonului se transformă #n mi'care circulară uniformă. ;istemul de aprindere este format dintro buie. ;c1nteia este obţinută #ntre electrozii buiei alimentaţi cu o tensiune foarte mare.
Timpii de funcţionare: Timpul I-Admisia
;upapa de admisie se desc"ide, supapa de evacuare fiind #nc"isă. 4istonul se deplasează de la punctul mort superior la cel inferior pe măsură ce #n cilindru pătrunde un amestec de vapori de benzină şi aer ++
(amestec carburant), amestec realizat #n carburator. !dmisia se face la presiune constantă egală cu presiunea atmosferică normală. Timpul II-Compresia
?1nd pistonul aunge la 42< se #nc"ide supapa de admisie şi pistonul #ncepe să urce #n cilindru comprim1nd amestecul carburant. ?ompresia se produce suficient de rapid astfel #nc1t poate fi considerată ca o transformare adiabatică, #n urma căreia se produce creşterea temperaturii şi presiunii. ?1nd pistonul aunge #n 42; se produce o sc1nteie care aprinde brusc combustibilul aflat la temperatură foarte mare. Timpul III-Arderea si detenta
!rderea combustibilului determină creşterea bruscă a temperaturii şi presiunii şi, datorită inerţiei pistonului, acesta nu se deplasează #n timpul aprinderii, procesul de ardere fiind izocor. Mazele de ardere rezultate (t%? p% atm) apasă asupra pistonului 'il pun #n mişcare spre punctul mort inferior. 4rocesul de destindere a gazelor de ardere se produce #ntrun timp scurt put1nd fi considerat adiabatic (detenta).Timpul III este timpul motor !n care se efectuează lucru mecanic asupra pistonului. Timpul IV-"vacuarea
?1nd pistonul aunge #n 42< se desc"ide supapa de evacuare şi presiunea scade brusc p1nă la valoarea presiunii atmosferice. 4rocesul se produce la volum constant. 4istonul se deplasează către 42; şi #mpinge #n afară, prin supapa de evacuare toate gazele arse aflate #n cilindru.
&.
T < E admisia* + (p%ct) T << E compresia* + (R%) T <<< E aprinderea* & (>%ct) şi detenta* &B (R%) T <> E evacuarea* B+(>%ct) 'i + (p%ct) #bservaţie: ;ingurul timp #n care se produce lucru mecanic util este
timpul
Xandamentul motorului $tto poate fi dedus pe baza relaţiilor de transformare dintre parametrii gazului #n cele patru transformări ale termodinamic #n funcie de raportul de compresie `% +
(B�+ (�&
+
Cv TB T+ Cv T& T
T T + + B T& T
V + V (
. g +
g + + +
J TV
g + (
T(V
TBVBg + T&V&g + VB V+
ciclului
� TBV+g + T&V(g + � T& TBe g + � +
V& V (
�V � � T( T+ � + � � T( T+e g + V ( � �
TB T + g +
e
TB T +
� ^%+ + e
g +
,
Motor#$ DIE&E8 este un motor #n B timpi, cu aprindere prin compresie. ?ombustibilul folosit este motorina care este pulverizată lent #n cilindrul motorului cu autorul pompei de inecţie. 3ste un motor de putere mare. ?iclul de funcţionare este reprezentat de o transformare ciclică formată d!n 2
transformări adiabatice o transformare izocoră $i una izobară. Timpul I-Admisia
;upapa de admisie se desc"ide, supapa de evacuare fiind #nc"isă. 4istonul se deplasează de la punctul mort superior la cel inferior pe măsură ce #n cilindru pătrunde aer. !dmisia se face la presiune constantă egală cu presiunea atmosferică normală. Timpul II - Compresia
?1nd pistonul aunge la 42< se #nc"ide supapa de admisie şi pistonul #ncepe să urce #n cilindru comprim1nd adiabatic aerul. ?ompresia adiabatică este mult mai mare dec1t la cele cu aprinderea prin sc1nteie (p%& atm) c1nd temperatura atinge valori de ordinul 8 ?. Timpul III-Arderea şi detenta
?1nd pistonul aunge #n 42; pompa de inecţie pulverizează picături fine de motorină #n cilindru. !cestea se aprind treptat, arderea e(te $entă, de aceea procesul de ardere este izobar. :n urma arderii rezultă gaze de ardere care #mping pistonul, efectu1nduse lucru mecanic. 4rocesul este adiabatic. Timpul III este timpul motor !n care se efectuează lucru mecanic asupra pistonului.
+
Timpul IV - "vacuarea
?1nd pistonul aunge #n 42< se desc"ide supapa de evacuare şi presiunea scade brusc p1nă la valoarea presiunii atmosferice. 4rocesul se produce la volum constant. 4istonul se deplasează către 42; şi #mpinge #n afară, prin supapa de evacuare toate gazele arse aflate #n cilindru. Xandamentul motorului Hiesel este superior motorului cu aprindere prin sc1nteie. T < E admisia* + (p%ct) T << E compresia* + (R%) T <<< E aprinderea* & (p%ct), detenta* &B (R%) T <> E evacuarea* B+ (>%ct) 'i + (p%ct) #bservaţie: ;ingurul timp #n care se produce lucru mecanic
util
este timpul &. Xandamentul motorului Hiesel poate fi exprimat #n funcţie rapoartele de compresie*
+
(B�+ ((�&
+
J
J
Cv TB T+ C p T& T(
g + TVg + � T T+e g + + � & TV + +
V
�& &
T
V& T&
� T& T e
F
V & V
& � B & T&V&g + TBVBg + g +
V &
TB T+e
V
F
F
+&
g +
V � � � TB T & �& � V + � VB V + �
+ � T& T+ � e g �
F
F
de
g +
� � � � T + g �e �
