Desfășurarea Lecției (Carduri)
# SISTEM TERMODINAMIC. STARE DE ECHILIBRU. PROCESE TERMODINAMICE
## 1. Sistem termodinamic și tipuri de pereți
- **Sistem termodinamic**: Corp macroscopic sau ansamblu de corpuri delimitat de mediul exterior printr-o suprafață reală sau imaginară.
- **Deschis**: schimb de masă ($m$) și energie ($E$);
- **Închis**: schimb doar de energie ($E$), masă constantă ($m = \text{ct.}$);
- **Izolat**: fără schimb de masă sau energie cu exteriorul ($m = \text{ct.}$, $E = \text{ct.}$).
- **Pereți despărțitori**:
- Rigid (nu permite variația volumului, $V = \text{ct.}$) vs. Mobil ($V \neq \text{ct.}$);
- Adiabatic (nu permite schimb de căldură, $Q = 0$) vs. Diaterman (permite transfer de căldură, $Q \neq 0$).
- **Sistem termodinamic**: Corp macroscopic sau ansamblu de corpuri delimitat de mediul exterior printr-o suprafață reală sau imaginară.
- **Deschis**: schimb de masă ($m$) și energie ($E$);
- **Închis**: schimb doar de energie ($E$), masă constantă ($m = \text{ct.}$);
- **Izolat**: fără schimb de masă sau energie cu exteriorul ($m = \text{ct.}$, $E = \text{ct.}$).
- **Pereți despărțitori**:
- Rigid (nu permite variația volumului, $V = \text{ct.}$) vs. Mobil ($V \neq \text{ct.}$);
- Adiabatic (nu permite schimb de căldură, $Q = 0$) vs. Diaterman (permite transfer de căldură, $Q \neq 0$).
## 2. Parametri de stare și Starea de echilibru
- **Parametri de stare**: Mărimi fizice măsurabile care descriu proprietățile sistemului:
- *Intensivi* (nu depind de mărimea sistemului): Presiunea $p$ $[\text{N}/\text{m}^2 = \text{Pa}]$, Temperatura absolută $T$ $[\text{K}]$ ($T = t + 273{,}15$).
- *Extensivi* (aditivi, depind de mărimea sistemului): Volumul $V$ $[\text{m}^3]$, Masa $m$ $[\text{kg}]$, Nr. de moli $\nu$ $[\text{mol}]$, Energia internă $U$ $[\text{J}]$.
- **Starea de echilibru termodinamic**: Starea în care parametrii de stare sunt constanți în timp și uniformi în tot volumul sistemului, în absența unor acțiuni exterioare.
- Echilibru mecanic ($p = \text{uniform}$);
- Echilibru termic ($T = \text{uniform}$);
- Echilibru chimic (fără reacții/schimb de fază nete).
- **Parametri de stare**: Mărimi fizice măsurabile care descriu proprietățile sistemului:
- *Intensivi* (nu depind de mărimea sistemului): Presiunea $p$ $[\text{N}/\text{m}^2 = \text{Pa}]$, Temperatura absolută $T$ $[\text{K}]$ ($T = t + 273{,}15$).
- *Extensivi* (aditivi, depind de mărimea sistemului): Volumul $V$ $[\text{m}^3]$, Masa $m$ $[\text{kg}]$, Nr. de moli $\nu$ $[\text{mol}]$, Energia internă $U$ $[\text{J}]$.
- **Starea de echilibru termodinamic**: Starea în care parametrii de stare sunt constanți în timp și uniformi în tot volumul sistemului, în absența unor acțiuni exterioare.
- Echilibru mecanic ($p = \text{uniform}$);
- Echilibru termic ($T = \text{uniform}$);
- Echilibru chimic (fără reacții/schimb de fază nete).
## 3. Procese (Transformări) termodinamice
- **Proces termodinamic**: Trecerea sistemului de la o stare inițială (1) la o stare finală (2).
- **Cvasistatic**: proces infinit lent, privit ca o succesiune continuă de stări de echilibru ($t_{\text{proces}} \gg t_{\text{relaxare}}$). Poate fi reprezentat grafic printr-o curbă continuă în diagrama $p-V$.
- **Necvasistatic**: stările intermediare sunt stări de dezechilibru ($p, T$ neomogene). NU se poate trasa ca o curbă continuă în diagrama $p-V$.
- **Proces termodinamic**: Trecerea sistemului de la o stare inițială (1) la o stare finală (2).
- **Cvasistatic**: proces infinit lent, privit ca o succesiune continuă de stări de echilibru ($t_{\text{proces}} \gg t_{\text{relaxare}}$). Poate fi reprezentat grafic printr-o curbă continuă în diagrama $p-V$.
- **Necvasistatic**: stările intermediare sunt stări de dezechilibru ($p, T$ neomogene). NU se poate trasa ca o curbă continuă în diagrama $p-V$.
## 4. Exemplu definitoriu
Un gaz închis într-un cilindru cu perete diaterman și piston mobil nesupus frecărilor se destinde foarte lent prin îndepărtarea treptată a unor mici granule de nisip de pe piston:
- Sistem: Închis;
- Proces: Cvasistatic, izoterm ($T = \text{ct.}$);
- Reprezentare $p-V$: Curbă continuă între $(p_1, V_1)$ și $(p_2, V_2)$.
Un gaz închis într-un cilindru cu perete diaterman și piston mobil nesupus frecărilor se destinde foarte lent prin îndepărtarea treptată a unor mici granule de nisip de pe piston:
- Sistem: Închis;
- Proces: Cvasistatic, izoterm ($T = \text{ct.}$);
- Reprezentare $p-V$: Curbă continuă între $(p_1, V_1)$ și $(p_2, V_2)$.
## Concluzie
Doar pentru stările de echilibru parametrii de stare ($p, V, T$) sunt riguros definiți pentru întregul sistem, permițând descrierea cantitativă a proceselor cvasistatice prin legi de stare și reprezentări grafice continue.
Doar pentru stările de echilibru parametrii de stare ($p, V, T$) sunt riguros definiți pentru întregul sistem, permițând descrierea cantitativă a proceselor cvasistatice prin legi de stare și reprezentări grafice continue.
Fișa Elevului / Anexă Teoretică
FIȘĂ DE STUDIU PENTRU ELEV
1. DEFINIȚIE ACCESIBILĂ:
Un sistem termodinamic este o porțiune din Univers aleasă de noi pentru a fi studiată (de exemplu: aerul dintr-o seringă, apa dintr-un ceainic). Tot ce se află în afara lui este mediul exterior.
2. MĂRIMI ȘI UNITĂȚI DE MĂSURĂ ÎN S.I.:
- Presiunea: $p$, unitate în S.I.: Pascal ($[\text{Pa}] = [\text{N}/\text{m}^2]$). (Uzual: $1\text{ atm} = 101325\text{ Pa}$, $1\text{ bar} = 10^5\text{ Pa}$).
- Volumul: $V$, unitate în S.I.: metru cub ($[\text{m}^3]$). ($1\text{ L} = 1\text{ dm}^3 = 10^{-3}\text{ m}^3$).
- Temperatura absolută: $T$, unitate în S.I.: Kelvin ($[\text{K}]$).
3. RELAȚII FUNDAMENTALE:
- Relația între scara Celsius și Kelvin: $$T = t + 273{,}15$$
- Ecuația termică de stare a gazului ideal (în stări de echilibru): $$p V = \nu R T = \frac{m}{\mu} R T$$
unde $R = 8{,}314\text{ J}/(\text{mol}\cdot\text{K})$ este constanta universală a gazelor.
4. EXEMPLU COTIDIAN:
O oală sub presiune închisă ermetic pe aragaz reprezintă un sistem termodinamic închis (nu pierde abur/masă, dar primește căldură prin pereții diatermani metalici). Presiunea și temperatura din interior cresc uniform dacă încălzirea este lentă.
5. CONTRAEXEMPLU CLAR:
Explozia unei petarde sau spargerea bruscă a unui balon NU reprezintă procese cvasistatice. În timpul exploziei apar unde de șoc, vârtejuri și diferențe masive de presiune și temperatură de la un punct la altul. În acel interval, noțiunea de «presiune a gazului din balon» nu are o valoare unică.
6. LIMITA MODELULUI:
Modelul stărilor de echilibru și al proceselor cvasistatice presupune că variațiile se fac infinit de lent, lăsând sistemului timp să se relaxeze intern ($t_{\text{proces}} \gg t_{\text{relaxare}}$). În realitate, niciun proces tehnologic sau natural nu este riguros cvasistatic; modelul este o aproximare excelentă doar dacă viteza de desfășurare a procesului este mult mai mică decât viteza sunetului în mediul respectiv.
Experimente / Demonstrații
DEMONSTRAȚIE EXPERIMENTALĂ: Comprimarea cvasistatică vs. comprimarea adiabatică/rapidă a unui gaz
- SCOP: Evidențierea diferenței dintre o transformare realizată prin stări de echilibru și o transformare bruscă (necvasistatică).
- IPOTEZĂ: O comprimare bruscă a aerului dintr-un cilindru produce o variație violentă și neuniformă de presiune și temperatură (efect adiabatic temporar), în timp ce o comprimare lentă permite menținerea echilibrului termic cu mediul.
- VARIABILE DE CONTROL:
* Variabilă independentă: Viteza de deplasare a pistonului ($v_{\text{rapid}}$ vs. $v_{\text{lent}}$);
* Variabilă dependentă: Variația instantanee a presiunii indicate de senzor/manometru și temperatura gazului;
* Variabile controlate: Masa de aer ($m = \text{ct.}$), volumul final atins la oprire ($V_2 = \text{ct.}$).
- MATERIALE: Seringă de 100 ml etanșă, manometru digital cu eșantionare rapidă (sau senzor de presiune conectat la interfață digitală), termometru cu senzor rapid (termocuplu fin).
- PROCEDURĂ:
1. Se înregistrează parametrii inițiali de echilibru: $p_1 = p_{\text{atm}}$, $T_1 = T_{\text{cameră}}$, $V_1 = 100\text{ ml}$.
2. Cazul A (Necvasistatic): Se împinge pistonul brusc de la $100\text{ ml}$ la $50\text{ ml}$ într-o fracțiune de secundă și se blochează poziția. Se observă saltul mare de presiune și temperatură, urmat de o scădere lentă a presiunii pe măsură ce căldura difuzează prin pereți până la reatinderea temperaturii camerei.
3. Se readuce seringa în starea inițială și se așteaptă 2 minute pentru refacerea echilibrului.
4. Cazul B (Cvasistatic): Se deplasează pistonul de la $100\text{ ml}$ la $50\text{ ml}$ treptat, câte $5\text{ ml}$ la fiecare 15 secunde. Se observă că valorile presiunii sunt stabile la fiecare pas și concordă cu legea $p V = \text{ct.}$ la temperatura ambiantă constantă.
Resurse Video / Web
PhET Simulation - Gas Properties
Profesorul utilizează simularea pentru a demonstra vizual cum introducerea moleculelor într-un spațiu închis generează presiune prin ciocniri și cum la echilibru parametrii $p$ și $T$ fluctuează în jurul unei valori medii constante.
Veritasium - Misconceptions About Temperature and Heat
Recomandat profesorului pentru a ilustra la începutul unității diferența dintre senzația termică a materialelor la echilibru termic și starea lor reală de temperatură (contact termic și echilibru).