TERMOTEHNICA - INTRODUCERE. ISTORIC. NOTIUNI FUNDAMENTALE.

TERMOTEHNICA - INTRODUCERE. ISTORIC. NOŢIUNI FUNDAMENTALE.

1.1 INTRODUCERE

Termotehnica este ramura tehnicii care studiaza utilizarea caldurii īn scopuri industriale sau casnice. Denumirea de termotehnica provine din prescurtarea expresiei termodinamica tehnica.

Termodinamica este stiinta energiei si a legilor ei de transformare sau, mai bine spus, stiinta "energiei termice", forma de energie ce īnsoteste toate formele de energie, precum energia mecanica, electrica, magnetica, etc.

Termodinamica opereaza cu legi ale naturii, cunoscute sub denumirea de Principii ale termodinamicii. Studiul oricarui domeniu ce apartine stiintelor termice impune considerarea Principiilor Termodinamice. Aceste principii au fost enuntate pe baza aspectelor macroscopice de comportare a materiei si sistemelor din natura, fapt ce le confera "credibilitate" de legi ale naturii, dar ele nu pot fi extrapolate la scara universului. Acest lucru a fost explicat clar si fundamentat stiintific de catre Ludowing Boltzmann īn "respingerea" teoriei lui Rudolph Clausius, privind "moartea termica a universului", pe baza Principiului al II-lea al termodinamicii, care sustine "degradarea" formelor de energie a sistemelor termodinamice, ajungerea la "o stare de echilibru", cu atingerea unei valori maxime a entropiei sistemului.

Ludowing Boltzmann a scris celebra relatie dintre entropie si probabilitate, care exprima tocmai īntelegerea limitarii aplicabilitatii Principiului al II-lea al termodinamicii la infinitatea universului, aici intervenind probabilitatea transformarilor de energie, īn lumina pricipiului citat mai sus.

1.2 ISTORIC

Principiul I al term 151j98b odinamicii a fost o forma precursoare legii conservarii energiei la procesele īn care intervine miscarea termica a materiei. Acest principiu a fost enuntat pentru prima data de catre R.J. Mayer īn 1842. La baza enuntului sau a stat observatia experimentala ca lucrul mecanic se poate transforma īn caldura si invers.

Descoperirea Pricipiului al II-lea al termodinamicii a fost legata de īmbunatatirea masinilor termice. Ciclul Carnot a fost propus īn anul 1824 de catre inginerul francez Sadi Carnot īn scopul īmbunatatirii randamentului motoarelor termice. Motorul imaginat de Carnot folosea drept agent termic gazul perfect, ce suferea transformari cvasistatice.

Pricipiul al III-lea al termodinamicii a fost formulat mai īntāi de catre Nernst, īn anul 1906 si si a fost denumit Teorema lui Nernst, ca apoi sa fie reformulat de catre Max Planck. Principiul al III-ea al termodinamicii se refera la modul cum se comporta entropia unui sistem īn vecinatatea temperaturii de zero absolut.

1.3 NOŢIUNI FUNDAMENTALE

1.3.1 Sistem termodinamic

Definitie

Se numeste sistem terodinamic o parte a lumii materiale, delimitata de o granita reala sau imaginara, aflata īn repaus sau īn miscare. Sistemul termodinamic se afla īn interactiune cu vecinatatea lui, care poarta numele de mediu exterior si care poate fi constituit dintr-un sistem termodinamic adiacent sau mai īndepartat. Īn cursul interactiunii dintre sistemul termodinamic si mediul exterior au loc schimburi de energie si de masa.

Observatie

Termodinamica tehnica are ca obiect de studiu sisteme termodinamice macroscopice, caracterizate prin dimensiuni finite, mult mai mari īn comparatie cu microstructura materiei si īn acelasi timp, mult mai mic decāt structurile infinite ale universului.

Exemplu

a) Aerul dintr-o īncapere reprezinta un sistem termodinamic, delimitat de granite reale si anume de elementele de constructie ale cladirii (pereti, tavan, pardoseala, etc.). Aerul din īncapere se afla, īn anumite conditii, īn interactiune cu sisteme termodinamice vecine reprezentate prin īncaperi vecine sau prin aerul atmosferic exterior cladirii. Īn cazul īn care ne referim la sezonul rece, īntre sistemul termodinamic considerat si aerul atmosferic exterior, aflat la temperaturi coborāte, are loc o interactiune de tip transfer de energie sub forma de caldura.

b) Un fluid īn curgere printr-o conducta reprezinta un sistem termodinamic īn care peretii conductei poarta rolul de granite reale, iar cele doua sectiuni transversale, care delimiteaza    calupul de fluid luat īn considerare poarta rolul de granite imaginare. Īntre acest sistem termodinamic si mediul exterior se poate stabili, īn afara interactiunii de tipul transferului de substanta si o interactiune de tipul transferului de caldura.

Clasificare

• dupa modul de interactiune cu mediul exterior

Observatie

Un sistem termodinamic omogen nu este obligatoriu monocomponent (alcatuit dintr-un singur component).

Observatie

Starea energetica a unui sistem termodinamic, la un moment dat, este data de conditiile interioare ale acestuia (masa si energia sistemului) si de conditiile exterioare (care determina schimbul de energie īntre sistem si mediul exterior).

1.3.5 ECUAŢII DE STARE

Definitie

Ecuatia termica de stare stabileste legatura dintre parametrii intensive si cei extensive de stare ai unui system termodinamic omogen, de masa constanta, la care se iau īn considerare numai interactiunile mecanice si termice cu mediul exterior.

Forma ecuatiei termice de stare a unui sistem termodinamic omogen

Daca exprimam ecuatia pentru o cantitate constanta de substanta m, acesta devine

Daca exprimīm ecuatia pentru un sistem termodinamic cu m = 1 kg, aceasta devine

unde [kg/m³]

Particularizarea ecuatiei termice de stare pentru gaze perfecte

Gazul perfect reprezinta un concept theoretic, fara correspondent direct īn realitate.

Ipoteze simplificatoare:

- gazul este alcatuit dintr-un numar foarte mare de molecule identice, perfect sferice, cu īntreaga masa concentrata īn centrul de greutate;

- volumul propriu al moleculeor este neglijabil īn raport cu volumul total ocupat de gaz, ca urmare a starii avansate de rarefiere īn care se afla gazul perfect;

- fortele de interactiune moleculare sunt neglijabile datorita rarefierii pronuntate;

- moleculele gazului executa o miscare aleatoare, dezordonata (browniana), traiectoriile lor īntre doua cioniri consecutive fiind rectilinii, ca urmare a absentei interactiunii dintre molecule;

- ciocnirile dintre molecule sunt considerate perfect elastice, ceea ce face posibila aplicarea legii conservarii impulsului si energiei (energia cinetica medie moleculara este constanta).

Forma explicita a ecuatiei termice de stare pentru gaze perfecte, scrisa pentru unitatea de masa (m = 1 kg)

[J/kg]

unde R este constanta caracteristica a gazului considerat [J/kg K], iar este volumul specific masic al gazului [kg/m³].

1.3.6 POSTULATELE TERMODINAMICII

Primul postulat al termodinamicii (principiul general al termodinamicii)

Un sistem termodinamic izolat ajunge īntotdeauna, dupa un interval de timp oarecare īn starea de echilibru termodinamic si nu poate iesi niciodata de la sine din aceasta stare.

Daca un sistem izolat este scos din starea de echilibru termodinamic intern, el va reveni la conditiile starii de echilibru. Timpul de revenire se numeste timp de relaxare . Valoarea timplui de relaxare pentru o marime "z" se determina īn functie de process, care poate fi:

- cvasistatic, daca variatia parametrului z este mult mai mica decāt viteza medie de variatie a acestui parametru in procesul de relaxare;

- nonstatic (nestatic), daca procesul decurge rapid.

Un proces reversibil este un proces īn care trecerea sistemului se face de la starea initiala la starea finala, trecānd prin stari termodinamice de echilibru intern si extern. Procesele reversibile pot avea loc īn ambele sensuri si trecānd prin aceleasi stari. Procesele reversibile sunt procese cvasistatice ideale.

Al doilea postulat al termodinamicii (principiul zero)

Doua sisteme aflate īn echilibru termodinamic cu un al treilea sistem sunt īn echilibru termodinamic īntre ele sau tranzitivitatea este o proprietate generala a relatiei de echilibru termic de stari.

Observatie

Al doilea postulat permite introducerea notiunii de temperatura. Astfel, temperatura unui sistem este o proprietate care determina daca un sistem se afla sau nu īn echilibru termic cu alte sisteme.

1.3.7 LUCRU MECANIC

Definitie

Lucru mecanic reprezinta o marime mecanica scalara ce exprima masura schimbului de energie pe calea interactiunii mecanice reciproce īntre corpuri (sau īntre sisteme de corpuri) si mediul ambiant.

Definitia generala a lucrului mecanic este:

[J]

Conventie de semne: lucru mecanic primit de un sistem este negativ, iar lucru mecanic cedat de sistem este considerata pozitiv.

Īn termodinamica tehnica de interes sunt īn special urmatoarele schimburi de energie sub forma de lucru mecanic:

- lucru mecanic al variatiei de volum;

- lucru mecanic de dislocare sau deplasare;

- lucru mecanic tehnic sau util.

Lucru mecanic al variatiei de volum exprima schimbul de energie mecanica prin actiunea fortelor de presiune asupra suprafetei deformabile a sistemului termodinamic.

Īn cazul unui sistem macroscopic a carui suprafata S devine S' īn urma unei deformatii elementare, lucru mecanic efectuat de fortele elementatre dF=pdS la deplasarea īntregii suprafete este:

unde,cu aproximatia unor infiniti mici de ordin superior

daca presiunea este constanta īn īntregul volum si egala cu presiunea exterioara p'.

Īntr-o transformare finita, cvasistatica, lucru mecanic schimbat de sistem īntre o stare initiala 1 si o stare finala 2 se calculeaza cu expresia:

Īn cazul sistemelor omogene, pentru unitatea de cantitate de substanta, lucru mecanic elementar se exprima:

iar intr-o transformare finita:

Lucru mecanic este conditionat de legea de variatie a presiunii īn functie de volum, adica de relatia p=f(v) astfel:

- īn procesele izocore (dV=o) L este nul;

- īn procesele de destindere (dV>0) L este pozitiv;

- īn procesele de comprimare (dV<0) L este negative.

Lucru mecanic de dislocare

Spre deosebire de sistemele īnchise, īn cazul sistemelor deschise , reprezentate cu ajutorul unui volum de control, granitele volumului de control sunt strabatute de debite masice, astfel īncat este nevoie de lucru mecanic pentru introducerea, respectiv evacuarea debitelor masice din sistem.

Pentru a obtine o relatie pentru lucru mecanic de dislocare, sa consideram un element de fluid de volum V. Se considera ca elemental de fluid este sufient de mic, astfel incāt sa putem considera ca are proprietati uniforme. Īn cazul unei curgeri cu variatii mici ale acceleratiei, forta aplicata asupra elementului de fluid va fi:

F = p · S

Pentru a deplasa elmentul de fluid inauntrul volumului de control pe distanta Δx, lucru mecanic necesar este:

Ld = F · Δx =p · S · Δx

Lucru mecnic de dislocare semnifica schimbul de energie dintre un volum de fluid si volumul din amonte, care actioneaza ca un piston imaginar; la randul sau, volumul considerat consuma acest lucru mecanic pentru deplasarea fluidului din aval.

Lucru mecanic de dislocare se considera poztiv la intrarea fluidului in sistem si negativ la evacuarea fluidului din sistem.

Pentru o cantitate de fluid egala cu unitatea , lucru mecanic de dislocare se exprima:

sau pentru o variatie elementara:

Lucru mecanic tehnic sau util reprezinta schimbul total de energie realizat pe calea interactiunii mecanice de un sistem termodinamic deschis, in cursul unei transformari de stare.

In cazul unui fluid admis intr-o masina termica si sufera o transformare termodinamica, lucru mecanic total este egal cu lucru mecanic util si lucru mecanic folosit pentru deplasarea fluidului:

L=Lt+Ld

Pentru o transformare reversibila:

Lucru mecanic tehnic elementar efectuat de uniatea de cantitate de substana este:

de unde:

.

1.3.8 CĂLDURA

Definitie

Caldura reprezinta forma de schimb de energie dezordonata intre sistemul termodinamic si mediul exterior, care apare datorita existentei unei diferente de potential termic intre ele.

Caldura este o marime de proces, astfel incat depinde de drum si nu admite diferentiala totala exacta:

Caldura se numeste sensibila, daca primirea sau cedarea ei de catre un corp ii provoaca acestuia o variatie a temperaturii.

Cantitatea de caldura este egala cu produsul dintre masa corpului, variatia sa de temperatura si un coeficient, denumit caldura specifica masica, care depind de natura corpului.

Caldura se numeste latenta, daca primirea sau cedarea ei provoaca numai o variatie a starii de agregarea corpului la temperature constanta. Cantitatea de calduta latenta este egala cu produsul dintre masa corpului si caldura latenta specifica transformarii respective ( de topire, vaporizare, etc.)

Conventie de semne: Caldura primita de un sistem in decursul unui proces este pozitiva, iar caldura cedata de sistem este considerata negativa.

1.3.9 ENERGIA INTERNĂ

Definitie

Energia interna U este o marime de stare care reprezinta energia stocata intr-un corp intr-o stare termodinamica oarecare. Energia interna include toate formele de energie microscopica, reprezentand suma totoror energiilor particuleleor din sistem:

U=U0+Ucin+Upot+Umagn+...........

unde Uo este enrgia interna proprie a meleculelor, adica partea din energia interna care nu se anuleaza la

zero absolut:

Ucin si Upot reprezinta energia cinetica ( la nivel molecular), respective potentiala ( a moleculelor care complun sistemul).

Energia interna este o marime extensiva , iar energia interna specifica este:

Energia interna fiind o marime de stare, energia interna admite difernetiala totala exacta:

cu conditia:    si .

1.3.10 ENTALPIA

Definitie

Entalpia H este o marime de stare care exprima, ca si energia interna , nivelul energetic al unui sistem termodinamic. Entaplia este o forma de energie definite prin relatia:

H = U + pV

Entalpia este o proprietate extensiva a sistemului; astfel entalpia masica este:

Termenul pV reprezinta:

- lucru mecanic de deplasare la presiune constanta ( in cazul sistemelor inchise)

- lucru mecanic de dislocare ( in cazul sistemelor deschise)

Ca si energia interna, entalpia depinde doar de starea sistemului. , variatia elementara a entalpiei H=H(T,p) se exprima printr-o difernetiala totala exacta:

cu conditia: