Raport de cercetare - Lorentz JÄNTSCHI

Termodinamica stabileşte relaţii cantitative între variabile macroscopice (volum, presiune,
temperatură, concentraţie) ce definesc un sistem fizico-chimic de proporţii mari, comparativ cu
dimensiunile corpusculilor constituenţi (atomi, molecule, etc.). Tipul de sistem este determinat de
caracteristicile suprafeţei de separare:
÷ sistem deschis / închis - materia poate fi / nu poate fi transferată prin suprafaţa de separare;
o sistemele închise şi deschise pot schimba energie cu mediul înconjurător;
÷ sistem izolat - sistem închis care nu este în contact mecanic şi termic cu mediul înconjurător;
÷ proces - transformare de stare (dilatare, răcire) sau transformare în starea fizică (topire,
solidificare) sau transformare chimică complexă (se formează noi substanţe).
÷ lucru este efectuat de sistem dacă în urma unui proces rezultă o energie cu care poate fi ridicată
o greutate în mediu.
Energia unui sistem poate varia şi ca urmare a unui transfer de căldură:
÷ proces exoterm - proces în care se degajă energie sub formă de căldură;
÷ proces endoterm - proces care absoarbe energie sub formă de căldură;
÷ proces adiabatic - proces care se desfăşoară într-un sistem izolat adiabatic;
o suprafeţele de separare adiabatice - nu permit transferul de căldură;
Mişcarea haotică a moleculelor se numeşte mişcare termică. Din punct de vedere molecular,
lucrul este transferul de energie datorită mişcării ordonate. Distincţia între căldură şi lucru se
realizează în mediu. Din punct de vedere molecular, cele două noţiuni pot fi definite astfel:
÷ Lucrul este transferul de energie ce foloseşte mişcarea ordonată a atomilor din mediu;
÷ Căldura este transferul de energie ce foloseşte mişcarea termică a atomilor din mediu.
Principiul I al termodinamicii introduce noţiunea de energie internă:
÷ Energia internă U este energia totală a unui sistem. Ea este o funcţie de stare: ΔU = Uf - Ui
÷ U este o funcţie de proprietăţile care determină starea sistemului la un moment dat şi
independentă de calea prin care s-a ajuns la starea respectivă: U = U(n,p,...)
÷ Căldura şi lucrul sunt căi echivalente pentru variaţia energiei interne a unui sistem. Dacă un
sistem este izolat de mediul înconjurător atunci nu are loc nici o variaţie de energie internă, sau,
nu există nici o maşină care efectuează lucru mecanic fără consum energetic (perpetuum mobile
de speţa I): energia internă a unui sistem izolat este constantă (Principiul I);
Formularea principiului I nu menţionează căldura, însă o implică şi permite o definire a căldurii pe
baza lucrului.
Fie două stări ale unui sistem, U1 şi U2 şi fie două transformări, una adiabatică şi una oarecare.
Pentru transformarea adiabatică avem (conservarea energiei pentru sistem): ΔU = U2 - U1 = wad iar
pentru transformarea oarecare avem (conservarea energiei pentru sistem): ΔU = U2 - U1 = w + q,
unde q este cantitatea de energie neexplicată prin lucru sau energie internă. Diferenţa wad-w este
pusă pe seama căldurii absorbite de sistem (conservarea energiei pentru mediu): q = wad - w, de
unde: q = ΔU - w. Concluzionând, variaţia de energie internă ΔU depinde de energia transferată
unui sistem sub formă de căldură q şi lucrul efectuat asupra unui sistem w prin: ΔU = q + w. Dacă
se consideră variaţii infinitezimale, avem: dU = dq + dw. Transformarea pe care o suferă sistemul
este cvasistatică dacă mişcarea sa este atât de lentă comparativ cu procesele care disipează energie
şi materie în mediu încât peste tot în sistem presiunea şi temperatura sunt independente de spaţiu
(pot fi însă dependente de timp).
Dacă descompunem dw în dw = dwe + dwexp unde dwexp lucrul mecanic de expansiune şi dwe un
lucru mecanic suplimentar necauzat de expansiune, atunci: dU = dq + dwe + dwexp. Astfel, pentru
sistemele ce evoluează la volum constant dwexp = 0; pentru sistemele care nu efectuează nici un fel
de lucru (electric, optic, etc) şi dwe = 0; în aceste condiţii: dU = dq (la volum constant, fără lucru
suplimentar). Pentru o transformare finită: ΔU = q, deci prin măsurarea energiei primite de la un
sistem la volum constant sub formă de căldură (q>0) sau obţinută de el sub formă de căldură (q