TERMODINAMICA

Fizica in viata noastra
Din cele mai vechi timpuri omul a incercat sa isi explice cum a aparut lumea din jurul lui, din ce e formata si ce contine ea. Cuvantul FIZICA provine din cuvantul grec physikos: natural, din physis: natura
In antichitate, babilonienii si egiptenii au observat miscarile planetelor, au prezis eclipsele, dar nu au reusit sa gaseasca legile care guverneaza miscarile planetelor.
Civilizatia greaca a adaugat foarte putin la descoperirile anterioare, pentru ca au admis, fara a critica, ideile celor doi filosofi Platon si Aristotel, care nu acceptau experimentele practice.
La Alexandria, Arhimede a facut numeroase mecanisme practice. A inventat mecanismul parghiei si cel al insurubarii, a descoperit principiul masurarii densitatii corpurilor solide prin scufundarea lor in lichide.
Astronomul grec Aristarchus din Samos a masurat proportia distantelor de la Pamant la Soare side la Pamant la Luna.
Eratosthenes, matematician, astronom si geograf, a determinat circumferinta Pamantului si a desenat o harta a stelelor; astronomul Hipparchus a descoperit succesiunea echinoctiilor; matematicianul si geograful Ptolemeu a propus sistemul de miscare planetara, in care Pamantul era in centru, iar Soarele, Luna si stelele se invarteau pe orbite circulare in jurul lui.
In perioada Evului Mediu, s-a incercat avansarea cercetarilor in stiintele naturii, dar nu s-a reusit.
In timpul Renasterii, s-au facut incercari pentru a interpreta comportamentul stelelor.
Filosoful Nicolaus Copernicus a sustinut ca planetele se misca in jurul Soarelui – sistemul heliocentric. El era convins ca orbitele planetelor sunt circulare.
Astronomul german Johannes Kepler a confirmat teoria heliocentrica.
Galileo Galilei si-a construit un telescop si incepand cu 1609, a confirmat sistemul heliocentric, prin observarea planetei Venus. El a descoperit suprafata neregulata a Lunii, primii patru sateliti luminosi ai lui Jupiter, pete pe Soare, multe stele din Calea Lactee.
In secolul al XVII-lea, Isaac Newton a enuntat principiile mecanicii, a formulat legea gravitatii universale, a separat lumina alba in culori, a propus teoria propagarii luminii, a inventat calculul integral si deferential. Prin descoperirile sale, a acoperit o suprafata enorma in stiintele naturii. A fost capabil sa arate ca atat legea lui Kepler a miscarii planetare cat si descoperirile lui Galilei despre corpurile cazatoare sunt urmarea combinarii celei de-a II-a legi a miscarii cu legea gravitatiei data de el. A prezis aparitia cometelor, a explicat efectul Lunii in producerea mareelor si succesiunea echinoctiilor. Observam deci ca fizica a suferit niste preogrese uimitoare.
In sens larg putem defini fizica fiind stiinta care studiaza proprietatile si structura materiei,formele de miscare ale acesteia, precum si transformarile lor reciproce.
Integrata in filozofie, in antichitate, avand la baza metoda observatiei directe, Fizica a devenit stiinta de sine statatoare abia in perioada care a urmat Renasterii italiene, cand metoda experimentala de studiu a scos la iveala aspecte profunde ale unor fenomene din natura.

SURSA 03

Termodinamica studiază din punct de vedere energetic proprietăţile generale ale substanţelor şi legile care guvernează mişcarea termică, fără a se ţine seama de natura mişcărilor şi interacţiilor moleculare.
Metodele termodinamicii nu au la bază niciun model de reprezentare atomo-moleculară a substanţei şi din acest motiv termodinamica este o ştiinţă fenomenologică.
În cadrul termodinamicii se stabilesc relaţii între mărimi direct observabile, adică între mărimi măsurabile în experienţe macroscopice, cum ar fi volumul, presiunea, temperatură, concentraţia soluţiilor, intensitatea câmpului electric şi magnetic, etc.
Astfel, studiul diverselor procese din termodinamică nu impune cunoaşterea mecanismului fenomenelor ce conduc la procesele respective.
Sistemele termodinamice. Parametri de stare. Echilibru termodinamic. Procese termodinamice.
Termodinamica operează cu o serie de noţiuni şi mărimi, cu ajutorul cărora se defineşte orice proces sau fenomen termic. Una dintre acestea este noţiunea de sistem termodinamic.
Se ştie că prin sistem fizic în general se înţelege o porţiune de univers. Sistemele fizice pot fi alcătuite numai din substanţă, numai din câmp, sau atât din substanţă cât şi din câmp.
Sistemul termodinamic reprezintă un sistem fizic macroscopic ale cărui dimensiuni spaţiale şi existenţă în timp permit efectuarea unor procese normale de măsurare.
Sistemele termodinamice pot fi:
* izolate, dacă sistemul termodinamic nu suferă nicio interacţiune cu mediul înconjurător;
* închise, dacă există interacţiuni cu mediul înconjurător, dar nu există schimb de substanţă între sistem şi mediul înconjurător;
* deschise, dacă sistemul schimbă şi substanţă cu mediul înconjurător.
Starea unui sistem termodinamic poate fi complet caracterizată printr-un număr finit de parametrii, numiţi parametrii de stare.
Parametrii de stare reprezintă valorile instantanee ale mărimilor fizice ce caracterizează atât sistemul considerat cât şi interacţiunile dintre sistem şi mediul înconjurător.
Parametrii de stare ai unui sistem pot fi:
* interni, bj (j=1,2,...) care depind de proprietăţile interne ale sistemului, adică de mişcarea de ansamblu şi de distribuţia particulelor ce compun sistemul;
* externi, ai (i=1,2,...) care depind şi de poziţia corpurilor exterioare care nu fac parte din sistemul considerat.
Ansamblul valorilor grupului complet al parametrilor de stare ai sistemului determină starea sistemului la un moment dat.
Mărimile fizice Ak care nu depind de stările anterioare ale sistemului, ci sunt determinate numai de starea sistemului la momentul dat, fiind funcţie de grupul complet al parametrilor de stare independenţi
Ak=Ak(ai, bj) se numesc funcţii de stare.
Avem funcţii de stare ca energia internă, entropia, energia liberă etc.
Determinarea parametrilor de stare şi a funcţiilor de stare se face în raport cu un sistem de referinţă dat. În termodinamica clasică parametrii de stare se determină faţă de referenţialul a cărui origine se găseşte în centrul de masă al sistemului.
Dacă parametrii de stare ai unui sistem termodinamic rămân constanţi în timp, când nu se schimbă condiţiile exterioare, sistemul se află în echilibru termodinamic.
Parametrii ce caracterizează sistemul în starea sa de echilibru termodinamic se numesc parametrii termodinamici, care la rândul lor pot fi:
* extensivi, ca de exemplu, volumul, energia, entropia etc. care sunt proporţionali cu numărul de particule din sistem;
* intensivi, ca presiunea, temperatura etc., care nu depind de numărul particulelor din sistem.
Starea de echilibru termodinamică este o stare ideală deoarece presupune ca parametrii macroscopici care caracterizează starea sistemului cu valori riguros constante atât în timp cât şi pe tot cuprinsul sistemului.
În realitate, valorile acestor parametrii nu sunt constante, ci efectuează anumite oscilaţii, numite fluctuaţii, în jurul valorilor medii.
Existenţa unui gradient de temperatură sau densitate într-un sistem termodinamic conduce la apariţia unor fluxuri de căldură, de substanţă, etc.
Prin urmare stările sistemului termodinamic în care gradientul unei mărimi fizice ca temperatura, densitatea etc. este diferit de zero nu rămân neschimbate dacă nu sunt menţinute din exterior. Aceste stări se numesc stări de neechilibru. Prin proces termodinamic se înţelege trecerea unui sistem termodinamic dintr-o stare de echilibru iniţială la o altă stare finală, trecând printr-o succesiune continuă de stări intermediare.
Într-un proces termodinamic, unii din parametrii de stare ai sistemului variază în timp. De exemplu variaţia volumului unui gaz produce o variaţie a presiunii acestuia, dacă temperatura rămâne constantă.
Orice proces termodinamic este caracterizat de mărimi specifice numite mărimi de proces care depind în general de "drumul urmat', adică de toate stările intermediare ale sistemului.
Stările intermediare ale unui sistem pot fi stări de echilibru sau nu.
Clasificarea proceselor termodinamice
Clasificarea proceselor termodinamice se poate face din mai multe puncte de vedere.
a. După mărimea variaţiei relative a parametrilor de stare avem:
* procese diferenţiale, pentru care variaţia relativă a parametrilor de stare este foarte mică;
* procese finite, când cel puţin un parametru de stare suferă o variaţie relativ mare.
b. Din punctul de vedere al naturii stărilor intermediare:
* procese cvasistatice(de echilibru), în care stările intermediare pot fi considerate suficient de apropiate de stările de echilibru, în tot cursul procesului;
* procese nestatice, pentru care stările intermediare ale sistemului nu pot fi complet caracterizate din punct de vedere al termodinamicii.
Un sistem termodinamic scos din starea de echilibru, revine la starea iniţială după un timp τ numit timp de relaxare.
Există un timp de relaxare specific pentru fiecare parametru de stare. Timpul de relaxare τ pentru sistemul termodinamic reprezintă tipul de relaxare specific cel mai mare.
Dacă într-un sistem termodinamic procesele au loc cu viteze mai mici decât viteza de relaxare $\left ( \Delta t > \tau \right )$ , în orice etapă a procesului, parametrii de stare au valori care corespund stării respective de echilibru şi deci procesul este un proces cvasistatic.
Procesele reale sunt nestatice, iar procesele cvasistatice sunt numai o aproximaţie a proceselor reale.
Procesele cvasistatice pot fi reprezentate pe o diagramă de exemplu p-V cu ajutorul unei curbe continue între starea iniţială şi starea finală, iar procesele nestatice nu pot fi reprezentate printr-o curbă, deoarece în stările intermediare de neechilibru parametrii de stare nu au o valoare unică pentru întregul sistem.
c. Din punct de vedere al trecerii sistemului din starea iniţială I în starea finală F şi invers avem:
* procese termodinamice reversibile, dacă trecerea sistemului din starea I în starea F poate fi parcursă şi invers exact pe acelaşi drum.
Pentru realizarea unui astfel de proces, condiţiile exterioare trebuie să se modifice extrem de lent, astfel încât sistemul să aibă timp să se adapteze progresiv la noile variaţii la care este supus treptat;
* procese termodinamice ireversibile în care prin trecerea din starea F în starea I nu se ating toate punctele curbei obţinute la trecerea din starea I în starea F.
În realitate nu există procese reversibile. Procesul poate fi considerat reversibil dacă stările intermediare în trecerea de la F la I sunt suficient de apropiate de stările intermediare obţinute prin trecerea de la I la F.
d. După legătura dintre starea iniţială şi starea finală se disting:
* procese ciclice când starea finală a sistemului coincide cu cea iniţială;
* procese neciciclice (deschise), când starea finală a sistemului diferă de cea iniţială.
e. după parametrii ce rămân constanţi în timpul unui proces termodinamic avem:
* procese izobare (P=constant)
* procese izocore (V=constant)
* procese izoterme (T=constant)
* procese adiabatice (fără schimb de căldură cu exteriorul)
* procese politropice (când căldura specifică a sistemului rămâne constantă

Repere: termodinamica , Arhimede , fizica , civilizatia greaca