Fizica-Sistem termodinamic.Parametri de stare

Sistem termodinamic.Parametri de stare

Cantitatea de materie sau substanţă supusă oricărui tip de studiu, din punct de vedere
termodinamic, poartă denumirea de sistem termodinamic.
Uneori există tendinţa greşită de a se presupune că modul în care este definit sistemul
termodinamic este evident şi că nu merită insistat asupra acestui aspect, existând alte noţiuni
şi elemente mai importante, asupra cărora trebuie sa se concentreze atenţia studiilor.
Definirea sistemului care reprezintă obiectul unui studiu termodinamic oarecare,
presupune şi identificarea cu precizie a mediului înconjurător, denumit şi mediul ambiant,
acesta reprezentând o cantitate de materie sau substanţă, aflată în afara sistemului studiat.
Suprafaţa care separă sistemul termodinamic de mediul înconjurător, poartă denumirea
de frontieră.
Este foarte important de menţionat că reprezentând o suprafaţă, frontiera nu are
grosime, deci nu ocupă volum în spaţiu şi nu conţine materie.
În aceste condiţii, valoarea oricărei mărimi termodinamice într-un punct situat pe
frontieră, trebuie să fie aceeaşi atât pentru sistemul termodinamic cât şi pentru mediul
înconjurător, deoarece sistemul termodinamic şi mediul înconjurător sunt în contact pe toată
suprafaţa considerată frontieră.
În funcţie de permeabilitatea faţă de substanţă a frontierelor sistemului
termodinamic, deci în funcţie de situaţiile în care sistemul efectuează sau nu schimb de
substanţă cu mediul înconjurător, pot fi definite două tipuri de sisteme termodinamice (închise
sau deschise).
Permeabilitatea frontierelor faţă de substanţă este caracterizată prin prezenţa unui
debit masic ce străbate frontierele sistemului.
Sistemele termodinamice închise sunt caracterizate prin frontiere impermeabile faţă
de substantă.
Exemple de sisteme termodinamice închise:
- Gazul din cilindrul unui motor cu ardere internă (cu supapele închise);
- Gazul din cilindrul unui compresor de aer (cu supapele închise);
- Gazul din cilindrul compresorului unei instalaţii frigorifice sau de climatizare (cu
supapele închise);
- Un rezervor pentru prepararea apei calde menajere (boiler), în perioadele de
neutilizare a apei din acesta;
- Părţile solide din componenţa oricărui sistem termic (organele de maşini);
- Clădiri sau părţi de clădiri cu uşile şi geamurile închise fără sisteme de ventilaţie şi
climatizare, sau cu aceste sisteme oprite;
- Aerul din pneurile unui autovehicul;
- Gheaţa unui patinuar;
- Apa dintr-o piscină (precizaţi în ce condiţii reprezintă un sistem închis?);
- Agentul termic din sistemul de încălzire centrală al unei locuinte etc.
Prin stare termodinamică se înţelege nivelul energetic de ansamblu al sistemului,
corespunzător tuturor particulelor constitutive, reprezentate prin atomi legaţi (la solide),
respectiv atomi sau molecule libere (la fluide – lichide şi gaze). Starea termodinamică este
determinată de intensitatea mişcării (agitaţiei) termice.
Dacă există o diferenţă de potenţial energetic între sistemul termodinamic şi mediul
ambiant, se va produce un schimb de energie între sistem şi mediul ambiant.
Dacă repartizarea energiei în sistem este neuniformă va apare un transfer de energie în
interiorul sistemului.
În aceste cazuri se spune că sistemul se găseşte în dezechilibru termodinamic, starea
lui modificându-se în timp.
Dacă starea sistemului rămâne constantă în timp, atunci sistemul este în echilibru
termodinamic.
La scară macroscopică, starea termodinamică (energetică) este sesizabilă prin anumite
mărimi, numite mărimi de stare – mărimi fizice care definesc stările termodinamice.
În starea de echilibru termodinamic, mărimile de stare rămân constante în timp.

Energia internă (U), reprezintă energia de mişcare şi de interacţiune (agitaţie internă)
a particulelor constitutive ale sistemului şi depinde de temperatura acestuia.
Entalpia (H), reprezintă suma dintre energia internă şi energia potenţială de presiune a
sistemului. Entalpia depinde atât de temperatura, cât şi de presiunea, respectiv volumul
sistemului, caracterizând cel mai bine nivelul energetic al agenţilor de lucru şi al sistemelor,
în aplicaţiile termodinamice.
Starea termodinamică descrie sistemul din punct de vedere energetic, şi permite
evidenţierea oricăror modificări manifestate în acesta.
Prin stare termodinamică se înţelege nivelul energetic de ansamblu al sistemului,
corespunzător tuturor particulelor constitutive, reprezentate prin atomi legaţi (la solide),
respectiv atomi sau molecule libere (la fluide – lichide şi gaze). Starea termodinamică este
determinată de intensitatea mişcării (agitaţiei) termice.
Dacă există o diferenţă de potenţial energetic între sistemul termodinamic şi mediul
ambiant, se va produce un schimb de energie între sistem şi mediul ambiant.
Dacă repartizarea energiei în sistem este neuniformă va apare un transfer de energie în
interiorul sistemului.
În aceste cazuri se spune că sistemul se găseşte în dezechilibru termodinamic, starea
lui modificându-se în timp.
Dacă starea sistemului rămâne constantă în timp, atunci sistemul este în echilibru
termodinamic.
La scară macroscopică, starea termodinamică (energetică) este sesizabilă prin anumite
mărimi, numite mărimi de stare – mărimi fizice care definesc stările termodinamice.
În starea de echilibru termodinamic, mărimile de stare rămân constante în timp.

Sistemele termodinamice deschise sunt caracterizate prin frontiere permeabile faţă de
substantă.
Pentru identificarea sistemelor termodinamice deschise, se utilizează o terminologie
particulară prin care sunt definite sistemul şi frontierele sale.
Sistemele deschise sunt studiate utilizând noţiunea de volum de control, care defineşte
volumul cuprins în interiorul frontierelor.
Porţiunile din frontieră impermeabile pentru substanţe sunt denumite suprafeţe de
control, iar proţiunile de frontieră permeabile la substanţă sunt denumite suprafeţe de intrare
sau suprafeţe de ieşire. Aceste noţiuni sunt exemplificate pe figura alăturată.
Sistemele termodinamice deschise sunt caracterizate prin frontiere permeabile faţă de
substantă.
Pentru identificarea sistemelor termodinamice deschise, se utilizează o terminologie
particulară prin care sunt definite sistemul şi frontierele sale.
Sistemele deschise sunt studiate utilizând noţiunea de volum de control, care defineşte
volumul cuprins în interiorul frontierelor.
Porţiunile din frontieră impermeabile pentru substanţe sunt denumite suprafeţe de
control, iar proţiunile de frontieră permeabile la substanţă sunt denumite suprafeţe de intrare
sau suprafeţe de ieşire.

Exemple de sisteme termodinamice deschise - cu italic au fost evidenţiate fazele în
care sistemul este deschis:
- Motoarele cu ardere internă (fazele funcţionării acestora sunt: aspiraţie aer, comprimare,
injecţie combustibil, ardere, destindere, evacuare gaze de ardere);
- Compresoarele de aer (fazele funcţionării acestora sunt: aspiraţie, comprimare, refulare);
- Compresoarele din instalaţiile frigorifice şi de climatizare (acestea aspiră, comprimă şi
refulează agentul frigorific din instalaţiile respective);
- Un rezervor pentru prepararea apei calde menajere (boiler), în perioadele de
utilizare a apei din acesta;
- Clădiri sau părţi de clădiri cu uşile şi geamurile deschise, sau cu sisteme de
ventilaţie şi climatizare în funcţiune;
- Apa dintr-o piscină (precizaţi în ce condiţii reprezintă un sistem deschis?);
- Cazanul mural al sistemului de încălzire centrală dintr-o locuinţă (apa intră se
încălzeşte şi iese din aceste echipamente);
- Schimbătoarele de căldură în funcţiune (agenţii de lucru intră, cedeză sau absorb căldură şi
ies din aceste echipamente);
- Turbinele cu abur sau gaze (agentul de lucru intră sub presiune şi cu temperatură ridicată în
aceste echipmente, se destinde punând în mişcare arborele turbinei şi părăseşte acete echipmente la
presiune şi temperatură scăzută);
- Cazanele termoenergetice (apa intră se încălzeşte până la saturaţie, apoi vaporizează, apoi se
supraîncălzeşte şi iese din aceste echipamente);
- Panourile solare termice (apa intră se încălzeşte şi iese din aceste echipamente);
- Turbinele hidraulice (apa intră cu presiune ridicată, se destinde punând în mişcare arborele
turbinei şi părăseşte acete echipmente la presiune scăzută);
- Turbinele eoliene (aerul intră cu viteză / energie cinetică / ridicată, pune în mişcare rotorul
turbinei transferând energia cinetică rotorului şi iese cu viteză mai redusă);
- Sistemele de climatizare ale autovehiculelor (aerul exterior sau interior intră în
schimbătorul de căldură din bord, cedează căldură agentului frigorific şi iese din schimbătorul de
căldură cu temperatură scăzută),