Noiuni termodinamice de bazIankovszky CristinaGrup Scolar Marasesti

Fenomenele termice constau n schimbul de cldur dintre corpuri i mediul ambiant; ele se pot studia cu ajutorul:teoriei cinetico-moleculare care consider c orice corp macroscopic este format dintr-un numr finit de molecule a cror micare se supune legilor mecanicii clasice;termodinamicii care studiaz fenomenele termice din punctual de vedere al schimburilor energetice fr a ine seama de structura molecular a corpurilor i folosind mrimi care pot fi msurate direct (presiunea, volumul, temperatura) sau care pot fi calculate cu ajutorul altor mrimi determinate experimental.

Cuprins:Structura substanei. Agitaia termicMrimi caracteristice structurii discontinue a substanei Sisteme termodinamice. Clasificri. Starea sistemului termodinamic. Parametrii de stare. Echilibrul termodinamicProcese termodinamice. ClasificriTemperaturaMsurarea temperaturii. Scara Celsius. Scara Kelvin

Structura substanei Materia este substana din care este confecionat Universul. Materia este format din particule foarte mici, numite atomi, mult prea mici pentru a fi vazute cu ochiul liber sau chiar cu microscopul. Felul atomilor i modul n care sunt aranjai determin caracteristicile diverselor forme ale materiei. Cuvntul atom provine din greaca veche i are semnificaia de fragment de materie prea mic pentru a mai putea fi mprit. Astzi tim c, la rndul lor, atomii sunt formai din particule i mai mici, numite particule subatomice.Atomul este cea mai mic particul a unui element care pstreaz proprietile elementului respectiv.

Structura substanei n natur se gsesc extreme de rar atomi izolai. De obicei, ei sunt grupai n nite structuri mai mari, numite molecule. Atomii dintr-o molecul sunt inui laolalt prin leguri chimice. Ei pot aparine aceluiai element sau unor elemente diferite.

Structura substanei Multe substane se pot gsi n trei stri de agregare diferite: solid, lichid i gazoas. n toate cele trei stri, substana are aceeai compoziie chimic, elementele care alctuiesc moleculele sunt aceleai, ns moleculele au energie diferit. Oamenii de tiin consider c materia este n permanent micare. Atomii i moleculele care intr n alctuirea ei sunt caracterizate de o form de energie numit energie cinetic.

http://www.harcourtschool.com/activity/states_of_matter/

MateriaFluidSolidLichidGaz

Structura substanei Starea solid Starea n care o substan are o form i un volum definit i care rezist la aciunea forelor care ncearc s le modifice. n solide, energia particulelor nu este suficient de mare pentru ca ele s se desprind, s nving forele de atracie reciproc. Ele vibreaz n jurul punctelor lor centrale, dar nu i pot prsi locurile. Moleculele solidului posed energie potenial molecular i energie cinetic de vibraie

Structura substanei Starea lichid Starea n care substana curge i ia forma vasului care o conine. Este etapa dintre starea solid i cea gazoas. Moleculele lichidelor au mai mult energie i se pot ndeprta de moleculele nvecinate, astfel c lichidul curge, tinznd s ocupe ntreg volumul pe care l are la dispoziie. Moleculele de lichid posed energie cinetic de translaie ct i de rotaie.

Structura substanei Starea gazoas Starea n care substana se dilat ca s ocupe volumul vasului n care se afl. Moleculele gazelor au cea mai mare energie cinetic. Ele se ndeprteaz unele de altele pn cnd umplu tot spaiul n care se afl. Moleculele de gaz posed energie cinetic de translaie i de rotaie. Gazul reprezint substana n stare gazoas care se afl la o temperatur mai mare dect temperatura sa critic i astfel, nu se poate transforma n lichid doar prin creterea presiunii prima dat se scade temperatura, pentru obinerea vaporilor. Vaporii sunt substane n stare gazoas la temperatur mai joas dect temperatura critic, care se poate transforma n lichid doar prin creterea presiunii nu este necesar scderea temperaturii.

Difuzia

Difuzia n cazul gazelor. Se iau doi cilindri identici din sticl aezai suprapus i separai iniial printr-o plac. n cilindrul superior se introduce aer, iar n cel inferior un gaz colorat. Dup scoaterea plcii de separaie se constat omogenizarea culorilor gazelor aflate iniial la aceeai presiune i temperatur.Difuzia este fenomenul de ptrundere n toate direciile a moleculelor unui corp printre moleculele altui corp, fr vreo intervenie din exterior.

Difuzia Difuzia n cazul lichidelor. Se folosesc dou lichide: apa i un lichid colorat puse n dou vase identice separate de un perete avnd un orificiu iniial nchis. Cele dou lichide au aceleai condiii de presiune, temperatur i volum. Dup deschiderea orificiului de comunicare dintre compartimente se constat o uniformizare a culorii lichidelor.

Activitate experimentalPasul 1. Turnai cte un strop de cerneal n apa din dou borcane - ap rece ntrunul i fierbinte n cellalt. Pasul 2. Comparai ritmurile n care are loc rspndirea (difuzia) cernelii n apa din cele dou borcane. n paharul cu ap fierbinte, difuzia se produce considerabil mai rapid Aceasta nseamn c moleculele apei calde se mic mai rapid i au deci o energie cinetic (de agitaie) mai mare dect cele ale apei reci!

n ce pahar temperatura este mai mare ?

Difuzia Difuzia n cazul solidelor. Se consider dou corpuri solide metalice puds n contact prin suprafee bine lefuite, corpurile fiind presate puternic. Dup un timp se constat c cele dou corpuri s-au sudat pe suprafaa de contact, ceea ce dovedete c moleculele corpurilor au difuzat unul n cellalt. Modelul prezentat n simulare descrie cum se petrece difuzia ntre dou suprafee adiacente a dou solide (cupru nichel spre exemplu). Una din cauzele difuziei n solide o reprezint atomii lips n structura cristalului, defecte de reea ce se numesc vacane. Difuzia depinde de temperatur i de numrul de vacane din structura cristalin. Sunt necesare i alte condiii pentru ca difuzia n solide s aib loc. Spre exemplu, s aib atomi de dimensiuni similare, structur i electronegativitate asemntoare.

Micarea brownian n anul 1827, botanistul englez Robert Brown (1773 1858) a observat la microscop micarea dezordonat a unor particule fine (polen) aflate n suspensie ntr-un lichid (ap). Aceast micare dezordonat, numit micare brownian, se explic prin ciocnirea moleculelor de lichid cu particulele de polen i ea este cu att mai intens cu ct particulele n suspensie sunt mai mici, lichidul este mai vscos i temperatura mai ridicat.http://chaos.nus.edu.sg/simulations/

Agitaia termic Concluziile care se desprind din micarea brownian i fenomenul de difuzie sunt urmtoarele:Moleculele oricrui corp, indiferent de starea de agregare, se afl ntr-o micare continu i dezordonat, numit micare (agitaie) termic.Micarea termic nu este impus de vreo cauz exterioar, nu nceteaz niciodat, iar intensitatea ei crete cu temperatura.Caracterul micrii termice difer de la o stare de agregare la alta.

Mrimi caracteristice structurii discontinue a substanei 1.Unitatea atomic de mas. ntruct moleculele sunt extrem de mici, masele lor nu se pot determina prin cntrire, iar unitatea de mas (kg) este foarte mare pentru a putea fi folosit. Din acest motiv, n 1961 s-a introdus o nou unitate de msur numit unitate atomic de mas (u) definit drept a 12-a parte din masa izotopului de carbon i avnd valoarea 1 u = 1,66x10-27 kg Pe aceast baz s-au formulat noiunile de mas atomic i mas molecular cu urmtoarele definiii:masa atomic a unui element este masa atomului su exprimat n uniti atomice de mas (u);masa molecular a unui element este masa moleculei sale exprimat n uniti atomice de mas (u).

2. Mol, kilomol. n fizica molecular se folosesc unitile numite mol i kilomol, definite ca masa de substan exprimat n grame sau kilograme, numeric egal cu masa molecular. Masa unui mol sau kilomol se numete mas molar i se noteaz [g/mol]; [kg/kmol]. Masa molar se calculeaz prin produsul dintre masa atomic (kg) dat de tabelul periodic al elementelor (Mendeleev) i numrul de atomi care formeaz molecula. Se reamintete c n tabelul periodic al elementelor un element oarecare se noteaz ,unde Z reprezint numrul atomic (nr. electronilor i al protonilor) i A numrul de mas ( nr.protonilor i al neutronilor din nucleu) 3. Numrul de kmoli sau moli dintr-o cantitate m de substan:

( exemple)

Bioxid de carbon (CO2) = 12 + 2x16 = 44 kg/kmol Acetilena ( C2H2) = 2x12 + 2x1 = 26 kg/kmol Amoniac (NH3) = 14 + 3x1 = 17 kg/kmol 1. S se determine masa molar pentru o molecul de ap, oxid de aluminiu, metan, hidroxid de sodiu. 2.Ci kmoli de O2 se gsesc n 0,8 kg de oxigen ? 3.Cte grame cntresc 5 mol de azot ?Verific-te

ElementulMasa molar(g/mol;kg/kmol)Hidrogen (H2)2Heliu (He)4Carbon (C)12Azot (N2)28Oxigen (O2)32Aluminiu (Al)27Sodiu (Na)23

4. Numrul lui Avogadro. ntr-un kilomol dintr-o substan oarecare este cuprins acelai numr de molecule:

NA = 6,023x1026 molecule/kmol = 6,o23x1023 molecule/mol

5.Volumul molar V. Un kilomol dintr-o substan oarecare, aflat n aceleai condiii de presiune i temperatur, ocup acelai volum V . Volumul molar al oricrui gaz ideal aflat n condiii normale de temperatur i presiune (p0=101,325kPa; T0=273,15K) este:

V0= 22,42 m3/kmol = 22,42x10-3m3/mol = 22,42 l/mol

6. Concentraia gazului ( numr de molecule n unitate de volum )

unde N numr total de molecule, V volumul. (formule de calcul la nivel molecular)

Formule de calcul la nivel molecular

Se consider un volum V de gaz, avnd masa m i densitatea , ce conine kmoli i N molecule, fiecare molecul avnd volumul v0 i masa m0 = m/N.

Un kmol va avea NA molecule, un volum V0 i o mas molar .

Se pot scrie urmtoarele relaii:

1. volumul gazului

2. volumul unei molecule

3. masa gazului

4. numrul de molecule

5. masa unui kilomol

6. densitatea

7. numrul de kmoli

8. volumul unei molecule

8. diametrul unei molecule

_1278135296.unknown

_1278136380.unknown

_1278136989.unknown

_1278137729.unknown

_1278136905.unknown

_1278135533.unknown

_1277223970.unknown

_1277224046.unknown

_1277223932.unknown

Sisteme termodinamicePrin sistem termodinamic se nelege un corp sau un ansamblu de corpuri macroscopice bine delimitat care permite efectuarea unor msurri macroscopice obinuite.Delimitarea sistemului termodinamic de corpurile nconjuratoare se face mintal, deci convenional.Corpurile nconjuratoare, care nu fac parte din sistemul termodinamic considerat, formeaz mediul exterior.

Clasificarea sistemelor termodinamice n funcie de interaciunea i schimbul de substan cu mediul exterior, sistemele termodinamice pot fi:Sistem izolat nu interacioneaz i nu schimb substan cu mediul exterior;aceasta este o idealizare fizic ce poate fi real numai n msura n care interaciunile cu corpurile exterioare sunt neglijabile;Sistem neizolat interacioneaz cu mediul exterior;Sistem nchis ntre sistemul termodinamic i mediul exterior exist schimb de energie dar nu exist schimb de mas;Sistem deschis ntre sistemul termodinamic i mediul exterior exist att schimb de energie ct i schimb de mas.

Starea sistemului termodinamicStarea unui sistem termodinamic reprezint totalitatea proprietilor la un moment dat i este determinat de parametrii de stare: presiune p, volum V i temperatur T.Dac aceti parametrii de stare au valori constante n timp, sistemul termodinamic este n echilibru termodinamic.Termodinamica studiaz, n principal, sistemele termodinamice aflate n stare de echilibru termodinamic i transformrile ntre astfel de stri.n coordonate Clapeyron (pV) starea de echilibru termodinamic este reprezentat printr-un punct.

Contactul dintre sisteme neizolate poate fi:Contact mecanic, atunci cnd schimbul de energie dintre sisteme se face prin lucrul mecanic realizat de forele efectuate de unul dintre sisteme asupra celuilalt;Contact termic, atunci cnd schimbul de energie dintre sisteme se face exclusiv prin cldur;Contact prin shimb de substan ntre cele dou sisteme.

Postulatul fundamental al termodinamicii Un sistem terodinamic izolat de mediul exterior i aflat ntr-o stare de neechilibru va evolua spre o stare de echilibru termodinamic, n care va ajunge dup un interval de timp i pe care nu o va prsi de la sine.

Parametrii de stareSe numesc parametrii de stare mrimile fizice msurabile care caracterizeaz proprietile sistemului termodinamic la un moment dat.Parametrii de stare i modific valoarea atunci cnd condiiile exterioare se schimb.Parametrii ce caracterizeaz sistemul n starea sa de echilibru termodinamic se numesc parametrii termodinamici, care la rndul lor pot fi: extensivi, ca de exemplu, volumul, energia, entropia etc. care sunt proporionali cu numrul de particule din sistem; intensivi, ca presiunea, temperatura etc., care nu depind de numrul particulelor din sistem.

Procese termodinamice. Clasificri

Clasificarea proceselor termodinamice se face dup urmtoarele criterii: I. Dup parametrul de stare care rmne constant n timpul procesului considerat:transformare izobar (p = ct.);transformare izocor (V = ct.);transformare izoterm (T = ct.);transformare general transformare adiabatic, care se desfoar fr schimb de cldur cu exteriorul.Trecerea sistemului termodinamic dintr-o stare n alta se numete proces termodinamic sau transformare de stare.

II. Dup natura strilor intermediare dintre starea iniial i starea final: procese termodinamice cvasistatice (sau de echilibru), cnd parametrii de stare variaz att de lent nct n orice moment sistemul termodinamic poate fi n echilibru termodinamic; procese cvasistatice reversibile cnd n urma schimbrii sensului de variaie a parametrilor sistemul trecere prin aceleai stri de echilibru termodinamic ca n transformarea primar; procese necvasistatice (de neechilibru), cnd strile intermediare ale procesului termodinamic nu sunt stri de echilibru termodinamic. III. Dup raportul dintre starea iniial i starea final: procese deschise (neciclice), cnd starea iniial nu coincide cu starea final; procese nchise (ciclice), cnd starea final a sistemului termodinamic coincide cu starea iniial; dac ntr-un proces ciclic parcurs n ambele sensuri se trece prin aceleai stri intermediare, procesul ciclic este i ireversibil.

Temperatura Temperatura este mrimea fizic ce caracterizeaz starea de nclzire a unui sistem fizic. Dou sisteme termodinamice sunt n contact termic dac sunt ndeplinite simultan urmtoarele condiii: ansamblul celor dou sisteme este izolat de exterior; ntre ele este posibil schimbul de cldur; ntre ele nu este posibil schimbul de lucru mecanic. Dou sisteme termodinamice se afl n echilibra termic dac, atunci cnd sunt puse n contact termic, ntre ele nu are loc schimb de cldur.

Principiul tranzitivitii (principiul zero al termodinamicii)

Dac sistemele termodinamice A i B sunt n echilibru termic, iar B este n echilibru termic cu un al treilea sistem termodinamic C, atunci sistemele termodinamice A i C sunt n echilibru termic.http://energy.sdsu.edu/testcenter/testhome/Animations Chapter-1 Properties Temperature and zeroth law of thermodynamics

Pentru a caracteriza strile de echilibru termic ale sistemelor termodinamice se introduce o mrime fizic nou, temperatura empiric. Temperatura empiric este un parametru de stare care mpreun cu ceilali parametrii de poziie (presiunea i volumul) determin complet starea unui sistem. Convenii Toate sistemele termodinamice aflate n echilibru termic au aceeai temperatur. Temperatura sistemului termodinamic care cedeaz cldur este mai mare dect temperatura sistemului care primete temperatur. http://jersey.uoregon.edu/vlab/Thermodynamics/index.html

Msurarea temperaturii. Scara Celsius. Scara Kelvin

Pentru msurarea temperaturii unui corp se folosete un dispozitiv numit termometru. Un termometru presupune: substana (corp) termometric caracterizat de proprietatea X (mrime termometric): lungimea unei coloane de lichid (mercur, alcool), volumul unui gaz la presiune constant, etc; dependena dintre temperatur i proprietatea X T = aX + b , T = aX; puncte de calibrare: punctul de fierbere, punctul triplu, etc.

Se numete scar de temperatur corespondena ntre valoarea msurat a mrimii fizice care caracterizeaz un termometru i valoarea temperaturii indicate de termometru.

Pentru a stabili o scar de temperatur se parcurg dou etape: se aleg dou stri termice distincte i perfect reproductibile ale unui sistem termodinamic i li se asociaz n mod convenional dou valori distincte ale temperaturii numite temperaturi de reper; se obine astfel un interval de temperatur; se mparte intervalul de temperatur la un numr ntreg, ales arbitrar, obinnd astfel unitatea de temperatur numit grad.

Subsatana termometric X - lungimea unei coloane de mercur sau alcool, volumul sau presiunea unui gaz;t = aX +b;puncte de calibrare:0C pentru temparatura corespunznd amestecului de ap cu gheat i 100C temperatura de fierbere a apei la presiune normal.

Gradul Celsius notat C este a suta parte din intervalul de temperatur cuprins ntre temperatura de topire a gheii i temperatura de fierbera a apei la presiune atmosferic normal.Scara de temperatur Celsius

Scara de temperatur Kelvin (SI)Substana termometric: volumul sau presiunea unui gaz;T = aX;punct de calibrare punctul triplu al apei T tr = 273,16 K T = 273,16 *X/XtrSe numete grad Kelvin, i se noteaz K , 1/273.16 din temperatura strii triple a apei. T(K) = t(C) + T0 unde T0 = 273 KPunctul triplu al apeiTermometru cu gaz la volum constantA

Scara de temperatura FahrenheitSubstan termometric: lungimea unei coloane de mercur, volumul sau presiunea unui gaz;t = aX + b; puncte de calibrare: 0 F grade pentru amestec de ap srat cu gheat i 212 F pentru punctul de fierbere al apei. tF(F) = 32 + 9t(C)/5

Temperatura de zero absolutZero absolut (temperatura de 0 K) este punctul de pe scara termodinamic la care energia termic a unui sistem i atinge minimul, n sensul c nu se mai poate extrage cldur din sistem.Prin acord internaional temperatura de 0 K corespunde temperaturii pe scala Celsius de 273,15C, iar pe scala Fahrenheit la 459,67F.Cercettorii au reuit s coboare temperatura pn foarte aproape de zero absolut, la fraciuni de grad, unde au loc diferite efecte cuantice. Astfel, n 1994, cercettorii de la NIST (National Institute of Standards and Technology) au atins temperatura de 700 nK, iar n 2003, la MIT (Massachusetts Institute of Technology) recordul a fost cobort cu mai mult de trei ordine de mrime, atingndu-se temperatura de 450 pK.

Tipuri de termometre Termometrul din sticl cu lichid (mercur, alcool) este un termometru al crui principiu de funcionare const in dilatarea aparent a lichidului ntr-un tub de sticl. Gradaiile de pe tubul de sticl permit citirea temperaturii, proporional cu lungimea coloanei de lichid n interiorul tubului, lungime ce variaz cu temperatura. Pentru a crete sensibilitatea, de obicei, la captul termometrului se afl un rezervor ce conine majoritatea lichidului , dilatarea sau contractarea acestui volum de lichid este amplificat n poriunea mult mai subire a tubului. Spaiul neocupat de lichid poate fi umplut cu azot sau poate fi vid

Un tip special de termometre cu mercur, denumite termometre maximale, prezint o constricie a tubului capilar deasupra rezervorului. Odat cu creterea temperaturii, mercurul este impins prin aceasta constricie de ctre forta de expansiune. Cnd temperatura scade, coloana de mercur se intrerupe in zona constriciei, nemaiputndu-se retrage in rezervor si rmnd staionar in tubul capilar. Observatorul poate citi astfel temperatura maxim atins ntr-o anumit perioada de timp. Pentru a a aduce termometrul in starea iniiala, acesta trebuie scuturat. Acesta este similar din punct de vedere constructiv cu termometrul medical.

Construiete un termometru cu lichid, din lucruri la ndemn, asemenea celui din figur. Lucreaz n echip. Pasul 1. Recuperai o sticlu cu capac filetat (din cele n care se mbuteliaz esene alimentare) i o rezerv de pix transparent, epuizat. Pasul 2. Perforai capacul cu vrful unui compas i lrgii orificiul att ct s ptrund rezerva de pix. Etanai cu adeziv mbinarea dintre rezerva de pix i capac. Pasul 3. Umplei sticlua cu ap colorat cu puin cerneal sau colorant alimentar. Asigurai-v c nu mai exist aer n sticlu (lichidul este pn la margini). nurubai capacul. Pasul 4. Confecionai o scal gradat lipind o fie de hrtie milimetric pe o fie de carton. Numerotai diviziunile de 1cm de pe fia de hrtie milimetric, ncepnd cu 0 la un capt al fiei. Fixai scala pe tubul rezervei de pix cu band adeziv transparent. Termometrul este gata! Pasul 5. Comparai indicaiile termometrului realizat de voi cu cele ale unui termometru de camer, punnd cele dou termometre n condiii identice. Cte grade Celsius corespund fiecrui mm de pe scala termometrului realizat de voi? Lichidul din termometru se dilat cnd devine mai cald i avanseaz n lungul tubului transparent. Tubul fiind subire, chiar i o mic variaie a volumului lichidului din sticlu poate fi observat printr-o modificare considerabil a lungimii coloanei de lichid din tub.

Termometrul cu lam bimetalic Termometrul metalic utilizeaz o lam bimetalic format format din dou lame avnd aceeai form geometric, solidare ntre ele i confecionate din dou metale diferite i care se dilat diferit la nclzire. Acesta produce curbarea lamei n funcie de temperatura la care se afl dispozitivul, tradus in micarea unui ac indicator n faa unei scale gradate.