Home » Articole » Articole » Știință » Fizica » Termodinamica » Sisteme termodinamice

Sisteme termodinamice

China - Yellow Sea (Un front de aer rece slab împinge tot smogul din nord-estul Chinei într-o pătură de smog gigantică deasupra Mării Galbene, așa cum a fost capturat de satelitul Terra al NASA în 2012. Pentru a înțelege schimbările de vreme și climă, cum ar fi evenimentul prezentat aici, este nevoie de cunoștințe aprofundate de termodinamică. (Credit: modificarea lucrării NASA))

Căldura este transferul de energie din cauza diferenței de temperatură între două sisteme. Căldura descrie procesul de conversie dintr-o formă de energie în alta. Un motor de mașină, de exemplu, arde benzina. Căldura este produsă atunci când combustibilul ars este transformat chimic în majoritate în CO2 și H2O, care sunt gaze la temperatura de ardere. Aceste gaze exercită o forță asupra pistonului printr-o deplasare, producând lucru mecanic și transformând energia cinetică a pistonului într-o varietate de alte forme – în energia cinetică a mașinii; în energie electrică pentru a funcționa bujiile, radioul și luminile; și înapoi în energia stocată în bateria mașinii.

Energia este conservată în toate procesele, inclusiv în cele asociate cu sistemele termodinamice. Rolurile transferului de căldură și ale schimbării energiei interne variază de la proces la proces și afectează modul în care este efectuat lucrul mecanic de către sistem în acel proces. Vom vedea că prima lege a termodinamicii explică faptul că o modificare a energiei interne a unui sistem provine din schimbările de căldură sau de lucru mecanic. Înțelegerea legilor care guvernează procesele termodinamice și relația dintre sistem și mediul înconjurător este, prin urmare, esențială în obținerea cunoștințelor științifice despre energie și consumul de energie.

Sisteme termodinamice

Un sistem termodinamic include orice ale cărui proprietăți termodinamice sunt de interes. Este încorporat în vecinătățile sau mediul său; poate face schimb de căldură cu mediul său și poate produce lucru mecanic asupra acestuia printr-o delimitare, care este peretele imaginat care separă sistemul și mediul (Figura 3.2). În realitate, vecinătățile imediate ale sistemului interacționează direct cu acesta și, prin urmare, au o influență mult mai puternică asupra comportamentului și proprietăților acestuia. De exemplu, dacă studiem un motor de mașină, benzina care arde în interiorul cilindrului motorului este sistemul termodinamic; pistonul, sistemul de evacuare, radiatorul și aerul din exterior formează vecinătățile sistemului. Limita constă atunci din suprafețele interioare ale cilindrului și ale pistonului.

Sistem termodinamic ((a) Un sistem, care poate include orice proces sau valoare relevantă, este autonom într-o zonă. Împrejurimile pot avea și informații relevante; cu toate acestea, împrejurimile sunt importante de studiat numai dacă situația este un sistem deschis. (b) Benzina care arde în cilindrul unui motor de mașină este un exemplu de sistem termodinamic.)

În mod normal, un sistem are anumite interacțiuni cu mediul înconjurător. Un sistem se numește sistem izolat și închis dacă este complet separat de mediul său – de exemplu, un gaz care este înconjurat de pereți imobili și izolați termic. În realitate, un sistem închis nu există decât dacă întregul univers este tratat ca sistem sau este folosit ca model pentru un sistem real care are interacțiuni minime cu mediul său. Majoritatea sistemelor sunt cunoscute ca un sistem deschis, care poate face schimb de energie și/sau materie cu mediul înconjurător.

Când examinăm un sistem termodinamic, ignorăm diferența de comportament de la un loc la altul în interiorul sistemului pentru un moment dat. Cu alte cuvinte, ne concentrăm asupra proprietăților macroscopice ale sistemului, care sunt mediile proprietăților microscopice ale tuturor moleculelor sau entităților din sistem. Prin urmare, orice sistem termodinamic este tratat ca un continuum care are același comportament peste tot în interior. Presupunem că sistemul este în echilibru. Ați putea avea, de exemplu, un gradient de temperatură în întregul sistem. Totuși, când discutăm despre sisteme termodinamice, le studiem pe acelea care au proprietăți uniforme în întregul sistem.

Înainte de a putea efectua orice studiu asupra unui sistem termodinamic, avem nevoie de o caracterizare fundamentală a sistemului. Când am studiat un sistem mecanic, ne-am concentrat pe forțele și cuplurile asupra sistemului, iar echilibrele lor dictau echilibrul mecanic al sistemului. Într-un mod similar, ar trebui să examinăm transferul de căldură între un sistem termodinamic și mediul său sau între diferitele părți ale sistemului, iar echilibrul său ar trebui să dicteze echilibrul termic al sistemului. Intuitiv, un astfel de echilibru este atins dacă temperatura devine aceeași pentru diferite obiecte sau părți ale sistemului aflate în contact termic, iar transferul net de căldură în timp devine zero.

Astfel, când spunem că două obiecte (un sistem termodinamic și mediul său, de exemplu) sunt în echilibru termic, ne referim la aceeași temperatură, așa cum am discutat în Temperatura și căldura. Să luăm în considerare trei obiecte la temperaturile T1, T2 și, respectiv, T3. Cum știm dacă sunt în echilibru termic? Principiul care guvernează aici este legea zero a termodinamicii, așa cum este descrisă în Temperatura și căldura despre temperatură și căldură:

Dacă obiectul 1 este în echilibru termic cu obiectele 2 și, respectiv, 3, atunci obiectele 2 și 3 trebuie să fie și ele în echilibru termic.

Din punct de vedere matematic, putem scrie pur și simplu legea zero a termodinamicii ca

(3.1)    Dacă T1 = T2 și T1 = T3, atunci T2 = T3.

Acesta este cel mai fundamental mod de a defini temperatura: Două obiecte trebuie să fie la aceeași temperatură termodinamic dacă transferul net de căldură între ele este zero atunci când sunt puse în contact termic și au atins un echilibru termic.

Legea zero a termodinamicii este aplicabilă în mod egal diferitelor părți ale unui sistem închis și necesită ca temperatura peste tot în interiorul sistemului să fie aceeași dacă sistemul a atins un echilibru termic. Pentru a simplifica discuția noastră, presupunem că sistemul este uniform cu un singur tip de material, de exemplu, apă într-un rezervor. Proprietățile măsurabile ale sistemului includ cel puțin volumul, presiunea și temperatura acestuia. Gama de variabile relevante specifice depinde de sistem. De exemplu, pentru o bandă elastică întinsă, variabilele relevante ar fi lungimea, tensiunea și temperatura. Relația dintre aceste trei proprietăți de bază ale sistemului se numește ecuația de stare a sistemului și este scrisă simbolic pentru un sistem închis ca

(3.2)    f(p,V,T) = 0,

 

unde V, p și T sunt volumul, presiunea și temperatura sistemului într-o anumită condiție.

În principiu, această ecuație de stare există pentru orice sistem termodinamic, dar nu este întotdeauna ușor disponibilă. Formele lui f(p,V,T) = 0 pentru multe materiale au fost determinate fie experimental, fie teoretic. În capitolul precedent, am văzut un exemplu de ecuație de stare pentru un gaz ideal, f(p,V,T) = pV – nRT = 0.

Până acum am introdus câteva proprietăți fizice care sunt relevante pentru termodinamica unui sistem termodinamic, cum ar fi volumul, presiunea și temperatura acestuia. Putem separa aceste cantități în două categorii generice. Cantitatea asociată cu o cantitate de materie este o variabilă extinsă, cum ar fi volumul și numărul de moli. Celelalte proprietăți ale unui sistem sunt variabile intensive, cum ar fi presiunea și temperatura. O variabilă extensivă își dublează valoarea atunci când cantitatea de materie din sistem se dublează, cu condiția ca toate variabilele intensive să rămână aceleași. De exemplu, volumul sau energia totală a sistemului se dublează dacă dublăm cantitatea de materie din sistem menținând neschimbate temperatura și presiunea sistemului.

Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 2
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2

Descoperă universul fizicii printr-o perspectivă fenomenologică captivantă!

Nu a fost votat 47.84 lei167.60 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

O explorare cuprinzătoare a fizicii, combinând perspective teoretice cu fenomene din lumea reală.

Nu a fost votat 47.84 lei167.60 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Căldura - Termodinamica fenomenologică
Căldura – Termodinamica fenomenologică

O incursiune profundă în lumea fascinantă a termodinamicii, explorând conceptele fundamentale ale căldurii și temperaturii.

Nu a fost votat 19.11 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *