Pe scurt
Termodinamica studiază transformările energiei și schimburile de căldură dintre sisteme, având la bază trei principii fundamentale. Principiul I (legea conservării energiei) stabilește relația ΔU = Q + L, iar Principiul al II-lea introduce conceptul de entropie și limitează randamentul motoarelor termice prin ciclul Carnot. Principiul al III-lea afirmă că entropia tinde la zero când temperatura se apropie de zero absolut, făcând imposibilă atingerea lui 0 K.
Principiul I al termodinamicii
- Definiție: Variația energiei interne a unui sistem închis este egală cu suma dintre căldura primită și lucrul mecanic efectuat asupra sistemului: ΔU = Q + L
-
Q = căldura schimbată (pozitivă dacă este primită)
- L = lucrul mecanic (pozitiv dacă este efectuat asupra sistemului)
- Energia internă a gazelor ideale depinde doar de temperatura absolută:
- Gaz monoatomic:
U = (3/2)nRT
- Gaz biatomic (la temperaturi obișnuite): U = (5/2)nRT
Transformări termodinamice clasice
- Izocoră (volum constant): L = 0, Q = ΔU
- Izobară (presiune constantă): Q = ΔU + pΔV
- Izotermă (temperatură constantă): ΔU = 0, Q = -L, unde L = nRT ln(V_f/V_i)
- Adiabatică (Q = 0): ΔU = L, iar pentru gaz ideal pV^γ = constant, unde γ = C_p/C_v
Principiul al II-lea al termodinamicii
- Introduce conceptul de entropie și sensul ireversibil al proceselor naturale
- Căldura nu poate trece de la sine de la un corp rece la unul cald
- Randamentul motorului termic este limitat de ciclul Carnot: η_max = 1 - T_f/T_c
-
T_f = temperatura sursei reci (în Kelvin)
- T_c = temperatura sursei calde (în Kelvin)
Principiul al III-lea al termodinamicii
- Entropia oricărui sistem tinde la zero când temperatura tinde la zero absolut
- Implică imposibilitatea atingerii lui 0 K prin procese finite
Aplicații și exemple
- Exemplul 1 (Izocoră): Un gaz ideal monoatomic (n = 2 moli) la T1 = 300 K și p1 = 100 kPa este încălzit izocor până la T2 = 600 K. Se calculează:
-
L = 0 (volum constant)
- Q = n·Cv·ΔT = 2·(3/2)·8,31·(600-300) = 7479 J
- ΔU = Q = 7479 J
- Exemplul 2 (Izotermă): Un gaz ideal (n = 1 mol) se destinde izoterm la T = 400 K de la V1 = 2 L la V2 = 8 L. Se calculează:
-
ΔU = 0, deci
Q = -L
- L_gaz = nRT ln(V2/V1) = 1·8,31·400·ln(4) ≈ 4607 J
- Q = L_gaz = 4607 J
- Exemplul 3 (Ciclu Carnot): Un motor termic funcționează între Tc = 500 K și Tf = 300 K, primind Qc = 2000 J. Se calculează:
-
η = 1 - Tf/Tc = 1 - 300/500 = 0,4 (40%)
- L = η·Qc = 0,4·2000 = 800 J
- Qf = Qc - L = 2000 - 800 = 1200 J
Unități de măsură și constante
- Energia: jouli (J)
- Temperatura: Kelvin (K)
- Presiunea: pascali (Pa)
- Volumul: metri cubi (m³)
- Constanta universală a gazelor: R = 8,31 J/(mol·K)
Verifică-te!
- Care este relația matematică a Principiului I al termodinamicii și ce reprezintă fiecare termen?
- Cum se calculează randamentul maxim al unui motor termic care funcționează după un ciclu Carnot?
- Ce se întâmplă cu energia internă a unui gaz ideal într-o transformare izotermă?