Terminologia utilizata in termotehnica

Terminologia utilizata in termotehnica

1. Sisteme termodinamice. Clasificare

Prima etapa in desfasurarea unei analize termodinamice consta in precizarea entitatii

ce urmeaza a fi supusa cercetarii, respectiv precizarea sistemului termodinamic. Sistemul termodinamic reprezinta un domeniu finit din spatiu delimitat de corpurile inconjuratore printr-o suprafata reala sau imaginara numita frontiera sistemului. Tot ceea ce se afla in afara frontierei sistemului selectat, dar in imediata apropiere si in posibila interactiune cu acesta, constituie mediul inconjurator sau mediul ambiant. Ca o observatie, se spera utila, trebuie subliniat faptul ca frontiera fiind o suprafata, deci de grosime zero, nu poate contine materie. Ca exemplu se considera un gaz inchis intr-un cilindru obturat etans de un piston. Daca frontiera coincide cu suprafata interioara a cilindrului si a pistonului, atunci sistemul termodinamic contine doar gazul din interior. Daca frontiera este plasata in exteriorul cilindrului, sistemul este reprezentat de gaz dar si de peretii cilindrului care-l contin.

Dupa natura interactiunilor dintre sistem si mediul sau exterior sistemele pot fi : inchise, deschise si izolate.

Sistemele termodinamice inchise sunt sistemele a caror frontiera nu permite schimbul de materie cu mediul exterior. Totusi, prin frontiera sistemului poate fi transferata energie sub forma de caldura si lucru mecanic. Frontiera poate fi rigida, lucrul mecanic schimbat cu exteriorul fiind nul, sau deformabila, diaterma sau adiabatica in functie de permeabilitatea pe care o prezinta la transferul de caldura. In exemplul prezentat mai sus, gazul din interiorul cilindrului constituie un sistem termodinamic inchis, frontiera fiind reprezentata de suprafata interioara a cilindrului. Prin intermediul pistonului mobil si a peretilor cilindrului se poate transfera energie sub forma de caldura.

Sistemele termodinamice izolate au frontierele impermeabile la schimbul de energie si substanta. Un exemplu sugestiv de sistem izolat este cel considerat anterior la care impunem suplimentar conditia frontierei nedeformabile - piston blocat, pereti rigizi- si conditia de frontiera adiabatica, fara schimb de caldura cu exteriorul. si lucru mecanic.

Sistemele termodinamice deschise sunt sistemele ale caror frontiere pot fi traversate de un flux de materie, in general un fluid - gaz sau lichid ; frontierele unor astfel de sisteme nu isi modifica pozitia in timp ( in sensul ca nu sunt deformabile), astfel incat ele includ un volum constant. Pentru sistemele termodinamice deschise se utilizeaza o terminologie speciala: volum de control pentru sistemul propriu-zis, suprafata de control pentru frontiera sistemului, iar pentru portiunile de frontiera traversate de fluxul de materie termenul utilizat este porti de intrare respectiv de iesire.

Exemplu - Motorul termic poate fi considerat , in diferite faze de functionare, ca un sistem deschis sau inchis. Astfel, in decursul fazei de comprimare si destindere a gazului din interiorul cilindrului, cand ambele supape sunt inchise, sistemul poate fi considerat inchis, iar in decursul admisiei si evacuarii cand sunt deschise alternativ supapa de admisie, respectiv de refulare, sistemul este inchis.

Compozitia si proprietatile fizice pot constitui un alt criteriu de clasificare. Astfel, din acest punct de vedere, sistemele pot fi omogene si eterogene.

Sistemele termodinamice omogene sunt sistemele ale caror compozitie chimica si proprietati fizice sunt aceleasi oriunde in interiorul sistemului sau variaza continuu, fara salturi, de la un punct la altul. Sistemele omogene pot fi reprezentate de o substanta pura sau de un amestec de mai multe substante pure. Exemplu - coloana de aer care se incalzeste la partea inferioara. Ca urmare a actiunii greutatii, compozitia si proprietatile fizice variaza continuu de la un punct la altul. La partea inferioara predomina gazele mai grele.

Sistemele eterogene sunt sistemele constituite din doua sau mai multe faze, adica din doua sau mai multe zone omogene diferite. La limita dintre faze proprietatile fizice si eventual compozitia pot varia brusc. Exemplul 1: cazan de abur in interiorul caruia se formeaza un amestec bifazic de apa lichida care fierbe si abur saturat; cele doua faze, lichida si gazoasa, au aceeasi compozitie chimica, H₂O, dar proprietatile fizice sunt total diferite. Exemplul 2: vas ce contine un amestec de mercur, apa si ulei. Cele trei faze distincte se delimiteaza clar datorita densitatii diferite a celor trei substante constituente. De aceasta data, fazele difera atat prin proprietati fizice cat si prin compozitia chimica.

Toate sistemele termodinamice constituite dintr-o substanta pura sau un amestec se pot afla in trei stari fizice distincte: gazoasa, lichida sau solida. Daca ne referim la o substanta chimic pura, prin fazele ei se intelege , in general, starile fizice ale substantei.

Starea sistemului termodinamic. Parametrii de stare.

Situatia in care se gaseste sistemul la un moment dat este denumita starea sistemului;

ea este descrisa de un ansamblu de proprietati fizice numite marimi de stare. Trebuie subliniat faptul ca nu toate marimile care intervin in analiza termodinamica reprezenta marimi de stare ci doar acelea a caror valoare numerica depinde strict de situatia in care se gaseste sistemul la un moment dat, fiind independenta de trecutul sistemului.

Din categoria marimilor de stare fac parte parametrii de stare si functiile de stare. Parametrii de stare sunt marimi fizice direct masurabile cum ar fi presiunea, volumul, temperatura. Functiile de stare sunt determinate prin calcul pe baza masuratorilor efectuate asupra parametrilor de stare. Energia interna, entropia, entalpia sunt functii de stare.

Marimile de stare ale caror valori sunt proportionale cu cantitatea de substanta din interiorul sistemului se numesc marimi extensive si sunt notate cu majuscule ( volumul ocupat de 10 kg de substanta este de 0 ori mai mare decat cel ocupat de un kg din acea substanta, in aceleasi conditii de presiune si temperatura). In practica adesea marimile extensive sunt raportate la unitatea de cantitate obtinandu-se marimi specifice masice sau marimi specifice molare dupa cum cantitatea de substanta este exprimata in kg sau kmol (v = V/m [m³/kg], v fiind volumul specific). Marimile de stare intensive sunt independente de cantitatea de substanta din interiorul sistemului. Presiunea, temperatura sunt exemple de astfel de marimi intensive.

Starea de echilibru reprezinta situatia in care sistemul este caracterizat atat de mentinerea constanta a tuturor marimilor sale de stare cat si de absenta oricarui flux energetic sau de masa in interiorul sistemului sau pe frontiera. Atingerea si mentinerea starii de echilibru presupune indeplinirea conditiilor de echilibru mecanic (presiune uniforma in interiorul sistemului si egala cu presiunea mediului exterior), echilibru termic (temperatura uniforma in interiorul sistemului si egala cu temperatura mediului exterior) si echilibru chimic (caracterizat de faptul ca in interiorul sistemului nu au loc reactii chimice, nici transfer de substanta datorat unor diferente de concentratie). Importanta starii de echilibru deriva din faptul ca un sistem termodinamic aflat la echilibru prezinta un set de proprietati  fixe, invariabile in timp, care pot fi masurate cu precizie; in plus, in aceasta situatie marimile de stare au o valoare unica in intreg sistemul.

Termodinamica clasica studiaza sistemele aflate in echilibru termodinamic.

Procese termodinamice

Trecerea sistemului dintr-o stare in alta se numeste proces termodinamic sau transformare termodinamica. Traiectoria procesului reprezinta succesiunea de stari prin care sistemul trece de din starea initiala in starea finala. Cunoasterea procesului presupune atat cunoasterea starii finale cat si a schimburilor energetice sau de substanta efectuate cu mediul exterior.

Procesele termodinamice sunt caracterizate si prin asa numitele marimi de proces (caldura si lucrul mecanic transferate intre sistem si mediul exterior) care depind nu numai de starile extreme ci si de natura procesului, respectiv de modul in care se face trecerea din starea initiala in starea finala. Diferenta intre marimile de stare si cele de proces este sugerata atat de terminologia utilizata cat si de notatiile aplicate celor doua categorii de marimi. Astfel, se vorbeste de variatia unei marimi de stare in timpul unui proces termodinamic si respectiv de cantitatea unei marimi de proces implicate in evolutia respectiva (cantitatea de caldura, cantitatea de lucru mecanic). Din punct de vedere matematic, marimile de stare admit diferentiale totale exacte, pentru care se foloseste semnul "d" (dV, dp) ce exprima variatia infinitezimala a marimii respective in decursul unui proces elementar (cu starile extreme foarte apropiate). In cazul marimilor de proces, semnul utilizat este  "d" si reprezinta nu variatia marimii ci chiar valoarea (cantitatea) elementara a marimii respective (dQ, dL).

Pentru o transformare finita 1-2, variatia totala a unei marimi de stare si cantitatea marimii de proces se determina prin integrare. Spre exemplu pentru variatia de energie interna si pentru cantitatea de caldura schimbata cu exteriorul relatiile de calcul sunt:

In functie de pozitia relativa a starilor initiala si finala procesele termodinamice sunt inchise (starea initiala coincide cu starea finala) si deschise ( starile initiala si finala sunt distincte). Procesele inchise repetate periodic poarta numele de cicluri termodinamice.

Procesul in decursul caruia sistemul parcurge o succesiune de stari de echilibru, de fapt stari foarte aproape de echilibru, se numeste proces de echilibru sau proces cvasistatic. Trecerea sistemului dintr-o stare in alta presupune existenta unui dezechilibru intern sau extern. In conditiile in care nivelul acestui dezechilibru este foarte mic, infinitezimal, starile succesive parcurse de sistem pot fi considerate stari de echilibru. Exemplu. Sistemul este reprezentat de un gaz inchis intr-un cilindru cu piston. Pe suprafata exterioara a pistonului se exercita o presiune a carei valoare trebuie sa o depaseasca pe cea a presiunii gazului din interiorul cilindrului pentru a se realiza comprimarea. Pe masura ce pistonul se deplaseaza in interiorul cilindrului, straturile de gaz din imediata apropiere a acestuia sunt primele comprimate. Energia cinetica a acestor straturi ce se deplaseaza este consumata pentru invingerea fortelor de frecare manifestate intre particule si intre particule si peretii cilindrului. In urma comprimarii presiunea din aceasta zona devin mai mare decat presiunea medie din interiorul cilindrului. Aceasta perturbatie se propaga in intreg volumul, cu o viteza bine determinata, respectiv viteza sunetului in mediul considerat, si nu instantaneu. Intre timp, pistonul si-a modificat din nou pozitia si straturile de gaz limitrofe sunt suplimentar comprimat. In decursul comprimarii lipseste atat echilibru intern (in interiorul gazului presiunea fiind diferita de la un punct la altul), cat si cel extern ( presiunea exterioara aplicata pistonului este mai mare decat presiunea medie din interiorul cilindrului). Cu cat diferenta dintre presiunile exercitate pe cele doua fete ale pistonului este mai mare cu atat viteza de desfasurarea a procesului de comprimare este mai mare si gradul de dezechilibru este mai ridicat. In cazul expus, comprimarea este un proces de neechilibru sau nonstatic.

In conditiile in care presiunea exterioara este cu putin mai mare decat presiunea gazului din interiorul cilindrului, viteza de deplasare a pistonului este foarte mica si diferentele de presiune din interior sunt nesemnificative. Procesul de comprimare se apropie de un proces de echilibru.

In lipsa altor precizari, prin proces termodinamic se va intelege un proces de echilibru. Doar un astfel de proces poate fi reprezentat in planul unei diagrame, sistemul fiind caracterizat de parametrii de stare uniformi.