Generalitati; parametri de stare; transformari termodinamice

Generalitati; parametri de stare; transformari termodinamice

Termodinamica este stiinta care se ocupa cu studiul legilor de transformare a energiei, analizeaza miscarea moleculara din interiorul corpurilor si fenomenele determinate de actiunea particulelor elementare constitutive ale acestora.

Principalele metode in studiul termodinamicii sunt: metoda fenomenologica si cea statistica s1, 24t.

Metoda fenomenologica (macroscopica) studiaza proprietatile generale, de ansamblu ale sistemelor fizice formate dintr-un numar finit de corpuri, pornind de la analiza proceselor macroscopice din natura, utilizand cele trei principii fundamentale ale termodinamicii precum si rezultatele cercetarilor experimentale, fara insa a explica mecanismul proceselor moleculare care determina fenomenul.

Metoda statistica (microscopica) ia in considerare structura moleculara a corpurilor, care se considera ca fiind formate dintr-un numar foarte mare de particule elementare, caracterizate printr-o mobilitate continua si aflate in interactiune reciproca.

Legile fundamentale care stau la baza termodinamicii sunt:

• principiul zero al termodinamicii, care stabileste conditiile de echilibru termic dintre mai multe sisteme care interactioneaza;
• principiul I al termodinamicii, care exprima in esenta echivalenta formelor de energie si conservarea acesteia;
• principiul al II-lea al termodinamicii, care precizeaza sensul spontan de transformare a energiei si entropiei sistemelor;
• principiul al III-lea al termodinamicii, ce enunta imposibilitatea atingerii punctului de zero absolut (anularea entropiei la temperatura de zero absolut).

Studiul termodinamic al unui corp ia in considerare corpul izolat fata de mediul inconjurator. Sistemul termodinamic este compus din mai multe corpuri cu proprietati diferite si care se gasesc in interactiune (mecanica si termica) intre ele. Sistemele termodinamice izolate (inchise) nu schimba cu mediul exterior nici caldura si nici lucru mecanic, sistemele termodinamice rigide schimba doar caldura cu mediul inconjurator, iar sistemele adiabate schimba doar lucru mecanic cu mediul ambiant. Sistemele care schimba atat caldura cat si lucru mecanic se numesc sisteme deschise.

Starea termodinamica este ansamblul tuturor proprietatilor macroscopice instantanee ale corpului. Fiecare proprietate este caracterizata de catre o marime numita parametru de stare. Parametrii de stare pot fi:

intensivi, care nu depind de dimensiunile sistemului - temperatura (T), presiunea (p);

• extensivi, care depind de dimensiunile sistemului - volumul (V).

Parametrii de stare fundamentali in termodinamica sunt presiunea, volumul si temperatura.

Starea de echilibru termodinamic se stabileste atunci cand sistemul, aflandu-se in conditii exterioare invariabile, parametrii sai de stare se mentin constanti in timp.

Transformarea termodinamica de stare reprezinta trecerea unui corp (sistem) dintr-o stare de echilibru in alta, atunci cand se modifica conditiile exterioare ale acestuia, provocandu-se astfel un schimb de energie. Cu alte cuvinte, transformarea de stare este un proces de trecere de la o stare de echilibru la alta prin parcurgerea unei succesiuni ordonate de stari, caracterizate prin valori precise ale marimilor de stare. Transformarile se numesc cvasistatice, daca parametrii de stare variaza in timp atat de lent incat, la orice moment, sistemul sa poata fi considerat in echilibru. In fig. 1.1, intre starea initiala (1) si finala (2) sistemul trece printr-o infinitate de stari de echilibru. Teoretic, procesul cvasistatic 1-2 dureaza un timp infinit, pentru a-si pastra starile intermediare in echilibru termodinamic  s1, 8, 15, 19, 30t.

Procesele naturale nu sunt procese cvasistatice, dar notiunea este o abstractie stiintifica, utila pentru intelegerea esentei fenomenelor reale. Transformarile in urma carora sistemul termodinamic trece dintr-o stare initiala de echilibru intr-o stare finala de echilibru, fara a trece succesiv prin stari intermediare de echilibru se numesc transformari necvasistatice si nu pot fi reprezentate grafic.

Transformarea se numeste ciclica sau inchisa daca starea finala a sistemului termodinamic coincide cu starea sa initiala, dupa parcurgerea altor stari intermediare diferite (fig. 1.2); in caz contrar, transformarea se numeste deschisa.

Transformarea reversibila este o transformare in care, in urma schimbarii semnului de variatie al parametrilor de stare, sistemul evolueaza de la starea finala la starea initiala, trecand prin aceleasi stari intermediare de echilibru prin care a trecut in transformarea primara de la starea initiala la starea finala.

Orice transformare care nu este reversibila este ireversibila.

Transformarile necvasistatice sunt transformari ireversibile; toate transformarile din natura sunt ireversibile, adica se desfasoara intr-un anumit sens si nu se pot reintoarce de la sine (in sens opus) fara consum energetic din exterior.

In functie de numarul de parametri de stare ce se modifica, transformarile pot fi:

simple - un parametru fundamental de stare se mentine constant;

complexe - toti parametrii de stare fundamentali sufera modificari.