Scrigroup - Documente si articole

     

 
HomeDocumenteUploadResurseAlte limbi doc
 
AstronomieBiofizicaBiologieBotanicaCartiChimieCopii
Educatie civicaFabule ghicitoriFizicaGramaticaJocLiteratura romanaLogica
MatematicaPoeziiPsihologie psihiatrieSociologie


SISTEM TERMODINAMIC SI MEDIU EXTERIOR

Fizica



+ Font mai mare | - Font mai mic



Sistem termodinamic si mediu exterior



Sistemul termodinamic este partea de univers supusa studiului.

Mediul sistemului termodinamic este cealalta parte de inuvers.

Sistemul termodinamic + mediul = universul.

Clasificarea S. T.:

Criteriul 1: schimburile permise intre sistem si mediu.

S. T. izolat: zero schimburi;

S. T. inchis: schimba energie - lucru si caldura; S.T. - complex;

S. T. inchis adiabatic: schimba numai lucru, nu si caldura;

S. T. deschis: schimba lucru, caldura si substanta.

Criteriul 2: structura S T

S. T. omogene: sunt unifazice;

S. T. eterogene: sunt multifazice;

S. T. izotrope: au proprietati independente de directie;

S. T. anizotrope: au proprietati dependente de directie;

Energie (W) lucru (L), si caldura (Q):

Starea S. T.

Descrierea S. T.: Fenomenologic;

Statistic

Descrierea fenomenologica a S T. foloseste variabilele de stare

Parametri de stare intensivi (p, T, C r etc.);

extensivi (V, u, m, etc.);

enterni (V);

externi (T).

Functii de stare: U = energia interna;

H = U + pV - entalpia;

S - entropia;

F = U - TS - energia libera Helmholtz;

G = H - TS - entalpia (energia) libera Gibbs.

Ecuatii de stare: pV =nRT =

Clasificarea starilor S. T.

- stare de neechilibru;

- stationara;

- de echilibru.

Procese termodinamice:

Marimi de proces: (L, Q, n. etc.)

Ecuatii de proces (transformare):

Procesul Ecuatia

T = constant: - izoterm pV = constant;

V = constant: - izocor p/T = constant;

p = constant: - izobar V/T = constant;

transformare generala in sistem inchis: pV/T = nR = const.

transformare generala in sistem deschis: pV/nT = R = const.

Clasificarea proceselor termodinamice:

Criteriul 1 - natura starilor intermediare:

- proceste cvasistatice - starile intermediare sunt de echilibru;

- procese necvasistatice - starile intermediare sunt de neechilibru;

Criteriul 2. - modul de desfasrare a procesului invers:

- proces reversibil - procesul invers trece prin aceleasi stari;

- proces ireversibil - procesul invers nu trece prin aceleasi stari.

Criteriul 3. - coincidenta sau necoincidenta starii finale cu starea initiela:

- proces cyclic - starea finala coincide cu startea initiala;

- proces neciclic - starea finala nmu      coincide cu startea initiala.

Criteriul 4. - este necesar sau nu un aport energetic din exterior:

- proces spontan - nu necesita aport energetic;

- proces nespontan (cuplat - necesita aport energetic.

Criteriul 5. - efectul asupra starii stationare a sistemului:

- proces pasiv - scoate sistemul din starea stationara

- proces active mentine sistemul in stare stationara.

Primul principiu al termodinamicii

Continului fizic - legea conservarii energiei in procesele termodinamice:

dU = dQ + dL

Notatii: dU, dH, etc. -variatii infinitazimale a marimilor de stare;

dQ, dL, etc. - variatii infinitezimala a marimilor de proces.

Conventia de semne:

cand caldura intra in sistem (proces endoterm);

cand lucrul este efectuat asupra sistemului (proces endergonic);

cand caldura iese din sistem (proces exoterm

cand lucrul este efectuat de catre sistem (proces exergonic).

Enuntul pr. I al termodinamicii (unul din enunturi):

Intr-un proces termodinamic variatia energiei interne a S.T. este egala cu suma algebrica a caldurii si lucrului schimbate de sistem cu mediul.

Lucrul total chimbat de sistem

lucrul (mecanic) de extensie(compresie): (-pdV, Fdl );

lucrul nemecanic) - chimic, electric, etc. (dL*).

unde X =F, p, m j, etc. - sunt parametrii intensivi ai S.T.

dx = dV, dn. dq, etc. - sunt variatii ale parametrilor extensivi ai S T.

S. T. sunt      simple daca: dL* = 0;

S. T. sunt complexe daca dL* ¹

Interactiunea

Marimile caracteristice

Tipul lucrului

Extensive

Intensive

Mecanica

Electrostatica

Chimica

Volumul (V)

Sarcina (q)

Nr. de moli (ni

Presiunea (p)

Potentialul electric (j

Potentialul chimic (mi

Lucrul mecanic (-pdV)

Lucrul electric (jdq)

Lucrul chimic (mdn

Particularizari ale principiulu I

In sistemele izolate dQ| = |dL| = 0) din pr. Þ ;

Procese izobare (p = ct.) in S. T. simple: dL* = 0):

dU = dQp+(-pdV)

dQp = dU+pdV = d(U + pV) = dH unde

H = U + pV este entalpia S.T.

Proceste izocore (V = ct., dV = 0) in S. T. simple: dL* = 0) din pr.I Þ

dQv = dU.

Capacitatea calorica:

Caldura specifica:

Principul al II-lea al termodinamicii

Pr. I exprima imposibilitatea crearii, ci numai a transformarii, energiei dintr-o forma in alta - cu precadere din caldura in lucru.

Pr. II impune limitari asupra cantitatii de caldura ce poate fi transformata in lucru si indica sensul evolutiei spontane (spre echilibru) a S.T. izolate.

Exemplu: S.T. format din apa + gheata (in calorimetru).

In S.T. izolate caldura trece spontan de la corpul mai cald la cel mai rece;

S.T. izolate evolueaza spontan de la starea de neechilibru spre starea de echilibru;

S.T. izolate evolueaza spontan dintr-o stare mai ordonata spre o stare mai putin ordonata (mai dezordonata);

Formularea lui Clausius a pr. II):

Nu este posibila o transformare care sa aiba ca unic      rezultat trecerea spontana a caldurii de la un corp cu o temperatura data la un corp cu temperatura mai mare.

ENTROPIA S. T.

a)      Abordarea fenomenpologica

Entropia S este functia de stare a S. T. a carei variatie intre doua stari apropiate ale sistemului este egala cu raportul dintre caldura dQ, schimbata de sistem, la temperature constanta T, si aceasta temperatura.

In transformarile reversibile (ideale):

Transformarile reale sunt ireversibile. In transformarile ireversibile se genereaza entropie si in interiorul sitemului datorita transformarii unei parti din energia sa interna in caldura (ex. prin frecare). dSgen > 0

Daca sitemul schima caldura dQe cu mediul exterior, la temperature T, variatia totala a entropiei S. T. este:

In S. T. izolat (dQe = 0), DSir = DSgen > 0 totdeauna.

VARIATIA ENTROPIEI S.T. IN TRANSFORMARILE CICLICE

Masinile termice finctioneaza ciclic.

Randamentul unei masinii termice oarecare este:

Randamentul masinii termice ideale, care lucreaza dupa ciclul Carnot, este:

(maxim)

Fiind ideal, ciclul Carnot este reversibil, deci hr hc

Þ Þ =

Randamentul oricarui masini termice reale (ireversibile) hir < hc, deci:

Þ Þ =

Rezulta inegalitatea lui Clausius:

CONSECINTA INEGALITATII LUI CLAUSIUS

Conforn inegalitatii lui Clausius

Un ciclu ireversibil A B A poate fi format din doua drumuri:

A B - ireversibil si B A - reversibil (vrzi Fig.).

Atunci pentre intreg ciclu putem scrie:

Pe de alta parte: . Deci

de unde

Stim deja ca daca transformarea A B este reversibila .

Rezulta ca in general pentru oric transformare 1 2 avem:

= pentru reversibil

> pentru ireversibil
 
sau

Daca sistemul este izilat dQ = 0 iar DS ³

Entropia S.T. izolat (continuare)

Exemplu: Fie un termostat cu apa la T1 si gheata la T <T1).

Apa cedeaza caldura (-dQ) la T1 iar gheata primeste caldura dQ la T2, pana se ajunge la echilibru termic la temperatura finala q. Procesul este ireversibil.

Variatia entropiei in acest proces este:

Formularea Clausius a principiului al II-lea al termodinamicii:

 


Entropia sistemului termodinamic izolat nu poate sa scada; creste daca procesul este ireversibil si ramane constanta daca procesul este reversibil.

Entropia si moartea termica a universului

Consideram un sistem deschis care schimba cu exteriorul caldura si in care intre elementele sistemului are loc schimb de caldura.

Exemplu: Un pahar cu apa si gheata pe masa; ansamblul apa +gheata schimba caldura cu mediul exterior iar apa schimba caldura cu gheata.

Variatia totala a entropiei S. T. este:

Entropia universului Sistemul impreuna cumediul formeaza un sistem izolat numit univers. Variatia entropiei universului este:

Concluzie Dupa un timp, cand entropia universului devine maxima se va ajunge la echilibru termic, stare in care universul va fi mort.

Abordarea statistica a entropiei

Probabilitatea termodinamica a unei macrostari a S.T. este egala cu numarul microstarilor sistemului ce corespund la acea macrostare.

Fie un S.T. format din 4 molecule identice notate cu a, b, c, d. care se pot gasi in oricare din doua celule comunicante identice ale unei incinte. Pot exista situatiilor din tabel.

Numarul microstarilor care realizeaza aceasi macrostare.

Macro-stari

Molecule in celula I

Molecule in celula II

Nr.micro-stari

nr

notarea

notarea

nr

A

abcd

1 = w1

B

abc,abd,acd,bcd

d,c,b,a

4 = w2

C

ab,ac,ad,bc,bd,cd

cd,bd,bc,ad,ac,ab

6 = w3

D

a,b,c,d,

bcd,acd,abd,abc

4 = w4

E

abcd

1 = w5

In starile dezordonate (distributie uniforma a moleculelor probabilitatea termodinamica (w) si entropia (S) ale S.T. sunt mari.

Rezulta: S~w - entropia S.T. este proportionala cu probabilitatea sa termodinamica.     

Forma explicita a dependentei entropiei de probabilitate

S = f(w)      ?

Entropia este functie de stare extensiva De aceea, pentru un S.T. format din subsistemele independente 1 si 2, entropia totala este:

S = S1 + S2       sau f(w) = f(w1) + f(w2)

Probabilitatea termodinamica a sistemului suma este w = w1.w2.

In consecinta, numai daca luam S = ln w putem scrie:

ln w =ln (w1.w2) = ln w1 + ln w2

Boltzmann a luat S = k ln w

S1 = k ln w1 S2 = k ln w2

Atunci DS = S - S1 = k ln w1 - k ln w2 = k ln

In evolutie spre echilibru w si S cresc:

w2 > w1 S2 > S1

Ecuatia fundamentala a termodinamicii

Pentru S.T. deschise si complexe (ex. sistemele vii) ec. pr. I se scrie:

Ecuatia pr. II se poate scrie:

Combinandu-le obtinem ecuatia fundamentala a termodinamicii:

In functie de entalpie: Sistemele vii traiesc la p, T =const.

In functie de energia libera Helmholtz la V = const.:

In functie de emtalpia libera Gibss la p si T = const.:

.

semnul '=' corespunde proceselor reversibile

semnul '<' corespunde proceselor ireversibile.

Principiul al treilea al termodinamicii

Daca T 0 atunci S (ordinea este perfecta, w 1 si S =k ln 1

Aceasta este continutul principiul al III-lea al temodinamicii.

Prin definitie, entropia absoluta a unui compus la o temperatura data T este egala cu cresterea de entropie la incalzirea cvasistatica izobara a compusului chimic pur intre 0K si temperatura T.

Relatia dintre functiile de stare:

Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare



DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Comentarii


Vizualizari: 1666
Importanta: rank

Comenteaza documentul:

Te rugam sa te autentifici sau sa iti faci cont pentru a putea comenta

Creaza cont nou

Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved