Starea unui sistem termodinamic si marimile care il caracterizeaza

Starea unui sistem termodinamic si marimile care il caracterizeaza

Termodinamica este un domeniu al fizicii clasice care a introdus concepte si a formulat legi cu o valabilitate generala pentru orice proces natural.

Diferitele activitati ale organismelor vii reprezinta, din punct de vedere fizic, o suita de transformari de energie, cu mult mai complexe decat orice proces ce are loc in masinile create de om, dar guvernate, ca si acestea, de legile fizice ale conversiei unei forme de energie in alta.

Sa definim cateva notiuni  mai importante ce le folosim in termodinamica:

1. Un sistem termodinamic reprezinta un ansamblu de corpuri de dimensiuni macroscopice, cu volum determinat, constituit din molecule si atomi, care se gasesc intr-o miscare continua si dezordonata si interactioneaza cu mediul exterior ca un intreg. Comportarea sistemului este determinata de proprietatile interne si de interactiunea sa cu exteriorul.

2. Pentru studiu, de obicei, se aleg sisteme termodinamice izolate la care, prin interactiune intre ele, nu se modifica masa si  energia. Interactiunea intre sistemele reale (neizolate) duce la modificarea marimilor de mai sus. In cazul in care sistemul nu schimba substanta cu exteriorul spunem ca acesta este inchis. Exista diferite tipuri de izolari. De exemplu, sistemul izolat adiabatic este un sistem care nu poate interactiona cu exteriorul decat prin efectuarea de lucru mecanic. Ansamblul proprietatilor sistemului la un moment dat poarta denumirea de stare. Starea unui sistem termodinamic este determinata de valorile pe care le iau la un anumit moment anumiti parametrii.

3. Marimile ce caracterizeaza complet starea sistemului termodinamic se numesc parametri de stare (p, V, T) ce nu sunt variabile independente, ci sunt legate prin ecuatia de stare:

Starea sistemului termodinamic este perfect determinata daca se cunosc cel putin doi parametri de stare. Starea unui sistem se numeste stationara daca parametrii care o definesc nu variaza in timp. Starea stationara a unui sistem se numeste stare de echilibru sau stare de echilibru termodinamic daca toti parametrii care o caracterizeaza nu variaza in timp si nu exista fluxuri provocate de surse exterioare care sa implice transport de substanta.

Marimile care sunt univoc determinate de parametrii de stare, in termodinamica se numesc functii de stare. Cea mai importanta functie de stare este energia interna U a sistemului.

4. Din punctul de vedere al relatiilor cu mediul extern, sistemele sunt de trei tipuri:

a)  sisteme izolate (nu schimba cu exteriorul nici substanta, nici energie);

b)  sisteme inchise (schimba cu exteriorul numai energie, dar nu si substanta);

c)  sisteme deschise (schimba cu exteriorul atat substanta cat si energie).

Se impune precizarea ca toate organismele vii sunt din punct de vedere termodinamic sisteme deschise.

In multe situatii, o parte dintre parametrii utilizati pentru descrierea starii sistemului nu sunt independenti si de aceea este necesara fixarea unui numar minim de parametri pentru descrierea starii. Parametrii pot fi externi, cand depind numai de coordonatele generalizate ale corpurilor exterioare cu care interactioneaza sistemul. Cel mai des intalnit parametru extern este campul gravitational. Daca parametrii depind atat de coordonatele generalizate ale corpurilor exterioare cat si de valorile medii ale coordonatelor si vitezelor particulelor sistemului, poarta numele de parametri interni.

O alta clasificare a parametrilor se face dupa modul in care acestia sunt influentati de cantitatea de substanta. Astfel, parametrii care nu depind de cantitatea de substanta din sistem se numesc intensivi, printre cei mai utilizati fiind temperatura, presiunea, permeabilitatea. In cazul in care valoarea parametrilor este determinata de cantitatea de substanta, avem de-a face cu parametrii extensivi: volumul, sarcina electrica, etc.

Dupa tipul marimii fizice caracterizate, parametrii se impart in:

- parametrii mecanici: volumul, presiunea, forta, etc.

- parametrii termodinamici: temperatura, energia interna, entropia, etc.

De obicei, parametrii mecanici sunt impartiti in parametrii de forta si parametrii de pozitie, in asa fel incat dimensiunea fizica a expresiei:

(5.1)

unde A_i sunt parametrii de forta, iar a_i sunt parametrii de pozitie, sa fie aceea de lucru mecanic.

Un succes enorm a fost intelegerea faptului ca energia interna a oricarui sistem, constand in suma tuturor energiilor cinetice (de oscilatie, de rotatie si translatie) datorate miscarilor dezordonate ale particulelor constituente si ale energiilor lor potentiale de interactiune, este o marime care se conserva in sistemele izolate, iar in cele neizolate variaza prin diferite forme de schimb cu exteriorul:

 (5.2)

unde SE_c – suma energiilor tuturor formelor de miscare pentru particulele constituente, iar  SE_p – suma energiilor potentiale de interactiune.

Tot in secolul trecut s-a dezvoltat si electromagnetismul, studiul electricitatii, pe ale carei aplicatii practice se bazeaza, in cea mai mare masura, civilizatia contemporana.

Campul electric, precum si cel magnetic sunt forme de stocare a energiei unei distributii de sarcini electrice aflate in repaus si respectiv in miscare. Energia celor doua campuri care se genereaza reciproc, se genereaza in spatiu sub forma undelor electromagnetice (lumina, razele X etc.).

Toate corpurile (de la astri pana la propriul nostru corp) emit si in acelasi timp absorb radiatii electromagnetice cu intensitate si distributie spectrala, ce depind de natura lor si de temperatura.

Studiind aceasta radiatie, Max  Plank a ajuns (in anul 1900) la concluzia ca intr-un fascicol de radiatie electromagnetica cu lungimea de unda  nu poate exista o cantitate de energie mai mica decat:

(5.3)

unde h = 6,62 ^. 10^-34 J^.s este o constanta, iar c = 3 ^. 10⁸ m/s este viteza luminii in vid. Acest rezultat crucial a aratat ca energia radianta este cuantificata.

Cealalta revolutie petrecuta in fizica la inceputul secolului nostru apartine teoriei relativitatii a lui A. Einstein, ce aduce cu sine o noua definitie a energiei: energia totala pe care o poseda orice corp cu masa m este E = mc².

Intr-adevar, in diferitele transformari la nivel subatomic, masa inertiala fie dispare si apar radiatii electromagnetice, fie apare pe seama energiei acestor radiatii.

Unitatea standard de masura a energiei in S.I. este Joule.

Unitati derivate: 1 cal (calorie) = 4,18 J

1 kWh (kilowatt ora) = 3,6 ^. 10⁶ J

1 eV (electron-volt) = 1,6 ^. 10^-19 J