ATOMUL [PDF]

Zitiervorschau

ATOMUL

1. Atomul Orice material este compus din particule mici numite atomi. Acestea sunt atât de mici încât încap cu milioanele pe vârful unui ac. 2. o In multe substante, atomii formeaza grupari numite molecule, cele mai mari grup a ri de acest gen con t in mai multe mii de atomi. o Gazul de hidrogen este format tot din molecule, fiecare molecula fiind compusa din doi atomi de hidrogen. Si apa este o compozitie: molecula de apa contine doi atomi de hidrogen si un atom de oxigen. o Exista numeroase molecule care contin un numar mult mai mare de atomi: proteinele din organismele vii sunt compuse din molecule sofisticate, numarul atomilor ajungand de ordinul miilor. 3. o Atomul consta într-un nor de electroni care înconjoara un nucleu atomic dens. o Nucleul contine particule subatomice încarcate pozitiv(protoni) si particule subatomice neutre (neutroni), fiind înconjurat de norul electronic încarcat negativ. o Deoarece protonul si electronul au sarcini electrice egale si de semn opus, daca numarul electronilor si al protonilor este egal, atunci atomul este neutru din punct de vedere electric; daca acest lucru nu se întâmpla, atunci atomul devine un ion, care poate avea sarcina pozitiva sau negativa. Atomul este clasificat dupa numarul de protoni si neutroni: numarul protonilor determina numarul atomic(Z) si neutronii izotopii acelui element. Numarul de masa (A) indica suma dintre numarul de protoni si numarul de neutroni din nucleul unui atom. atomul de heliu 4. Principalele caracteristici ale particulelor subatomice (protoni, neutroni, electroni) sunt masa si sarcina electrica. Tabelul urmator indica masele absolute si masele relative precum si sarcinile electrice absolute si sarcinile electrice relative ale acestor particule. o Masele absolute sau masele reale sunt masele exprimate in kilograme. o Masele relative sunt determinate in raport cu unitatea de masa atomica, definita ca a 12-a parte din masa atomului 12C si notata cu u. Izotopul 12C este atomul de carbon care are in nucleu 6 protoni si 6 neutroni. o Sarcinile electrice absolute sau sarcinile reale sunt sarcinile electrice exprimate in coulombi (c). o Sarcinile electrice relative sunt determinate in raport cu sarcina electrica a protonului: 5. o Protonul si neutronul au mase aproximativ egale cu a 12-a parte din masa atomului de carbon, izotopul 12. o Electronul are masa de aproximativ 1823 de ori mai mica decat a 12-a parte din masa atomului de carbon, izotopul 12. o Astfel, daca vrem sa ne referim la masa atomului, de obicei este suficient sa indicam masa atomica a elementului respectiv, care este egala cu numarul total al protonilor si neutronilor, deci este intotdeauna un numar intreg. 6. Ideea c a orice material se compune din particule mici a ap a rut înca din vremea Greciei Antice. o În jurul anului 420 î.e.n filozoful Democrit a ajuns la concluzia ca materia se compune din particule mici indivizibile. Aceste particule se numesc si astazi atomi, dupa cuvântul grecesc atomos, adica indivizibil. o El mai sustinea ca atomii sunt vesnici, neschimbatori si indestructibili. Atomii ar diferi unii de altii si de aceea substantele au proprietati diferite. De exemplu, atomii de apa ar fi netezi si rotunzi astfel ca apa curge, atomii de foc ar fi cu ghimpi, de aceea arsurile

sunt dureroase, iar atomii de pamant ar fi cu carlige, astfel incat ei se pot agata unul de altul formand o substanta tare. o Alti filozofi aveau teorii diferite. În secolul IV î.e.n. Aristotel era de parere ca fiecare material se compune din patru elemente de baza – pamant, aer, foc, apa – numai ca în cantitati diferite. Aceasta a fost o teorie acceptata pe larg pana la începutul secolului XVII. Obiectivul alchimiei a fost crearea elixirului vietii, o bautura care ar da viata eterna omului. Un alt obiectiv a fost îmbogatirea prin transformarea metalelor obisnuite în aur. Multi alchimisti s-au laudat ca au rezolvat aceste probleme, dar în realitate niciunul nu a avut succes. 7. Teoria revolutionara a lui Dalton o Cativa oameni de stiinta au ramas in continuare de parere ca materia se compune din atomi, insa pana la inceputul anilor 1800 nu a existat nicio dovada stiintifica care sa sustina aceasta teorie. Un chimist engle z , John Dalton, a realizat experiente cu gaze, mai precis a cercetat modul de combinare intre ele. A determinat de exemplu, ca hidrogenul si oxigenul se combina intotdeauna in acelasi raport de greutate spre a forma apa. 8. o La rezultate similare au ajuns si alti cercetatori, insa Dalton a fost primul care a inteles implicatiile acestora. El a concluzionat ca materiile sunt compuse din atomi si ca atomii unei substante primare au toti aceeasi greutate. Daca doua substante primare se combina intre ele atunci atomii se unesc intotdeauna in acelasi raport cantitativ. o Teoria de atom daltoniana a explicat cauza din care atomii se combina intotdeauna in acelasi raport cantitativ si a creat un punct de plecare pentru alti cercetatori spre examinarea in detaliu a materiei. 9. Materia se compune deci din atomi, dar oare atomii din ce se compun? o Primele indicii in acest sens au aparut spre sfarsitul anilor 1800, cand cercetatorii au examinat trecerea electricitatii prin aerul rarefiat dintr-un tub de sticla. Tubul a emis din cand in cand lumina verde, in momentele in care s-a aplicat o tensiune inalta pe cele doua placute de metal introduse in gaz, sau altfel spus electrozi. Aceasta luminozitate era produsa de radiatia invizibila care pornea de pe electrodul negativ si se lovea de peretele tubului de sticla. 10. o In anii 1980 fizicianul britanic J.J Thomson a aratat ca aceste raze catodice, dupa cum se numeau in acea vreme, sunt de fapt curenti de particule purtatoare de sarcini negative. In acea vreme s-a presupus ca electronii sunt smulsi intr-un mod oarecare din atomi, dar nu era de loc clara organizarea lor din interiorul atomului. Ipoteza lui Thomson era ca atomii seamana intr-un fel cu o budinca de stafide: mai multe particule cu sarcina negativa – electronii, sunt incorporate intr-o materie voluminoasa dar usoara, de forma sferica. Experientele elaborate si realizate ulterior pentru clarificarea structurii interne a atomului au infirmat teoria lui Thomson. 11. Modelul Rutherford o In 1911, un coleg al lui Thomson, Ernest Rutheford, nascut in Noua Zeelanda, dar care a lucrat in Marea Britanie, a schitat o noua structura atomica, care a dat raspuns la fenomenele observate in experimente. In conformitate cu acesta, mijlocul atomului, sau altfel spus nucleul, are sarcina pozitiva si este relativ greu. In jurul lui se invart electronii: particule foarte mici si usoare, purtatoare de sarcina negativa. 12. o Rutherford nu a realizat insa ca nucleul atomic se compune de regula din mai multe tipuri de particule: unele cu sarcina pozitiva si altele fara sarcina. Existenta particulelor cu sarcina pozitiva – a protonilor – s-a dovedit in jurul anului 1920. Particulele fara sarcina electrica, amintite mai sus, au fost descoperite in 1932 de Sir James Chadwick, care le-a denumit neutroni. Prin aceasta s-a completat modelul de atom prin care putem intelege comportamentul materiei. 13. Complexitatea atomului

o De indata ce James Chadwick a descoperit neutronul in 1932, s-a crezut ca se cunoaste perfect structura atomului. De atunci insa, cercetatorii care au realizat experimente cu ajutorul acceleratoarelor de particule, au descoperit inca peste o suta de particule diferite de atom, iar fiecare descoperire noua a ridicat si mai multe intrebari. Astazi se stie chiar si ca protonii si neutronii sunt la randul lor formati din cuarci, particule nevazute vreodata, dar a caror existenta a fost demonstrata cu ajutorul acceleratorului de particule. Molecule - molecula 1. Generalitati Orice material este compus din particule mici numite atomi. Acestea sunt atat de mici incat incap cu milioanele pe varful unui ac. Gruparea mai multor atomi formeaza molecule; cele mai mari grupari de acest gen contin mai multe mii de atomi. Ideea ca orice material se compune din particule mici a aparut inca din vremea Grecei Antice. In jurul anului 420 i.e.n. filozoful Democrit a ajuns la concluzia ca materia se compune din particule mici indivizibile. Aceste particule se numesc si astazi atomi, dupa cuvantul grecesc atomos, adica indivizibil. Alti filozofi aveau teorii diferite. In secolul IV i.e.n. Aristotel era de parere ca fiecare material se compune din patru elemente de baza: pamant, aer, foc, apa -, numai ca in cantitati diferite. Aceasta a fost o teorie acceptata pe larg pana la inceput secolului XVII. Obiectivul alchimiei a fost crearea “elixirului vietii”, o bautura care ar da viata eterna omului. Un alt obiectiv a fost imbogatirea prin transformarea metalelor obisnuite in aur. Multi alchimisti s-au laudat ca au rezolvat aceste probleme, dar in realitate nici unul nu a avut succes. 2. Teoria revolutionara a lui Dalton Cativa oameni de stiinta au ramas in continuare de parere ca materia se compune din atomi, insa pana la inceputul anilor 1800 nu a existat nici o dovada stiintifica care sa sustina aceasta teorie. Un chimist si scriitor englez, John Dalton, a realizat experiente cu gaze, mai precis a cercetat modul de combinare intre ele. A determinat de exemplu, ca hidrogenul si oxigenul se combina intotdeauna in acelasi raport de greutate spre a forma apa. La rezultate similare au ajuns si alti cercetatori, insa Dalton a fost primul care a inteles implicatiile acestora. El a concluzionat ca materiile sunt compuse din atomi si ca atomii unei substante primare au toti aceeasi greutate. Daca doua substante primare se combina intre ele atunci atomii se unesc intotdeauna in acelasi raport cantitativ. Teoria de atom daltoniana a explicat cauza din care atomii se combina intotdeauna in acelasi raport cantitativ si a creat un punct de plecare pentru alti cercetatori spre examinarea in detaliu a materiei. Materia se compune deci din atomi, dar oare atomii din ce se compun? Primele indicii in acest sens au aparut spre sfarsitul anilor 1800, cand cercetatorii au examinat trecerea electricitatii prin aerul rarefiat dintr-un tub de sticla. Tubul a emis din cand in cand lumina verde, in momentele in care s-a aplicat o tensiune inalta pe cele doua placute de metal, introduse in gaz, sau altfel spus electrozi. Aceasta luminozitate era produsa de radiatia invizibila care pornea de pe electrodul negativ si se lovea de peretele tubului de sticla. In anii 1890 fizicianul britanic J.J. Thomson a aratat ca aceste raze catodice, dupa cum se numeau in acea vreme, sunt de fapt curenti de particule purtatoare de sarcini negative. In acea vreme s-a presupus ca electronii sunt smulsi intr-un mod oarecare din atomi, dar nu era de loc clara organizarea lor din interiorul atomului. Ipoteza lui Thomson era ca atomii seamana intr-

un fel cu o budinca de stafide: mai multe particule cu sarcina negativa- electronii, sunt incorporate intr-o materie voluminoasa dar usoara, de forma sferica. Experientele elaborate si realizate ulterior pentru clarificarea structurii interne a atomului au infirmat teoria lui Thomson. 3. Modelul Rutherford

In 1911, un coleg al lui Thomson, Ernest Rutherford, nascut in Noua Zeelanda, dar care a lucrat in Marea Britanie, a schitat o noua structura atomica, care a dat raspuns la fenomenele observate in experimente. In conformitate cu aceasta, mijlocul atomului sau altfel spus nucleul, are sarcina pozitiva si este relativ greu. In jurul lui se rotesc electronii: particule foarte mici si usoare, purtatoare de sarcina negativa. Rutherford nu a realizat insa ca nucleul atomic se compune de regula din mai multe tipuri de particule: unele cu sarcina pozitiva si altele fara sarcina. Existenta particulelor cu sarcina pozitiva - a protonilor – s-a dovedit in jurul anului 1920. Particulele fara sarcina electrica au fost descoperite in 1932 de Sir James Chadwick, care le-a denumit neutroni. Prin aceasta s-a completat modelul de atom prin care putem intelege comportamentul materiei. 4. Elemente

Elementele sunt acele substante, in care fiecare atom are acelasi numar de protoni. Acest numar comun de protoni indica numarul atomic al elementului. Exista in totalitate un numar de 92 de elemente in natura. In atomii lor, numarul protonilor poate varia de la 1 la 92. Prin intermediul unor echipamente speciale, numite acceleratoare de particule se pot produce alte cateva elemente care sa contina mai multi protoni. In multe substante, atomii formeaza grupari numite molecule. Gazul de hidrogen este format tot din molecule, fiecare molecula fiind compusa din doi atomi de hidrogen. Si apa este o compozitie: molecula de apa contine doi atomi de hidrogen si un atom de oxigen. Exista numeroase molecule care contin un numar mult mai mare de atomi: proteinele din organismele vii sunt compuse din molecule sofisticate, numarul atomilor ajungand la ordinul miilor. Unele elemente se gasesc in natura numai compuse. Spre exemplu sodiul este un metal, care intra in legatura cu alte metale atat de repede incat niciodata nu poate fi gasit in natura in forma pura, primara. Forma cea mai raspandita este compozitia cu clorul, si anume clorura de sodiu, adica sarea de bucatarie. Sodiul este un metal, se extrage din aceasta compozitie, si adesea se utilizeaza pentru producerea altor substante. 5. Legaturi chimice

Atomii din molecule pot fi legati sau conectati in mai multe moduri, dar de fiecare data implica un schimb de electroni sau punerea lor in comun pentru a se ajunge la structura stabila de octet sau de dublet. Cele doua tipuri simple de legaturi chimice sunt legatura covalenta si ionica. In legatura covalenta atomii pun in comun electroni. In molecula de hidrogen, cei doi atomi de hidrogen sunt legati printr-o legatura covalenta. Cei doi electroni apartinand celor doi

atomi de hidrogen se rotesc in jurul ambelor nuclee, si astfel stau impreuna. Legatura covalenta se realizeaza intre doua metale sau nemetale. La legatura ionica un atom cedeaza unul sau mai multi electroni atomului pereche, iar legatura intre ele se datoreaza fortei de atractie electrostatice. In mod normal numarul protonilor pozitivi dintr-un atom coincide cu numarul electronilor negativi. Aceste sarcini de marimi egale dar de sens contrar se anuleaza reciproc, astfel atomul nu are sarcina electrica. Daca insa atomul pierde electroni, atunci sarcina pozitiva va fi preponderenta, iar atomul care a primit electroni va fi de sarcina negativa. Acesti atomi care prezinta o sarcina globala pozitiva sau negativa, se numesc ioni. Ionii cu sarcini de sens opus se atrag, si tocmai aceasta forta de atractie mentine legatura intre atomi. Molecula din sarea de bucatarie se formeaza printr-o asemenea legatura ionica: un atom de sodiu cedeaza un electron unui atom de clor. Legatura ionica se realizeaza intre un metal si un nemetal. Atomii unui element oarecare au intotdeauna acelasi numar de protoni. Numarul neutronilor insa poate fi diferit. De exemplu, in carbonul natural numarul neutronilor din nucleu este in general de sase, dar intr-un procentaj de aproximativ unu la suta acest numar este de sapte. Acesti atomi diferiti ai aceluiasi element se numesc izotopi. Acestia nu difera in caracterul lor chimic: fiecare formeaza aceleasi compozitii cu diferitele materiale, dar difera in caracteristicile lor fizice, de exemplu ingheata sau incep fierberea la temperaturi diferite. Cand cercetatorii vorbesc despre un anumit izotop al unui element, atunci il definesc prin numarul atomic, adica prin numarul total al protonilor si neutronilor. De exemplu izotopului cel mai raspandit in natura al carbonului este atomul carbon-12, in care exista sase protoni si sase neutroni. Daca in izotopul mai rar exista cu un neutron mai mult, atunci acesta este izotopul de carbon-13. 6. Masa atomica

Masa protonului si a neutronului este aproape aceeasi; de circa 1800 ori masa electronului. Astfel, daca vrem sa ne referim la masa atomului, de obicei este suficient sa indicam masa atomica a elementului respectiv, care este egala cu numarul total al protonilor si neutronilor, deci este intotdeauna un numar intreg. Masa atomica relativa a unui element (sau greutatea atomica relativa) este media maselor izotopilor ce se intalnesc in natura, unitatea fiind 1/12 din masa atomica a izotopului de carbon-12. Masa moleculara relativa a unei substante este suma maselor atomice ale tuturor atomilor din molecula respectiva. 7. Complexitatea atomului

De indata ce James Chadwick a descoperit neutronul in 1932, s-a crezut ca se cunoaste perfect structura atomului. De atunci insa, cercetatorii care au realizat experimente cu ajutorul acceleratoarelor de particule, au descoperit inca peste o suta de particule diferite in atom, iar fiecare descoperire noua a ridicat si mai multe intrebari. Din fericire pentru explicarea comportamentului materiei, in marea majoritate a cazurilor, este de ajuns si acest model mai simplu.

Inca din antichitate unii filozofi greci au emis ipoteza dupa care materia este formata din particule foarte mici, indivizibile, numite atomi ( in limba greaca insemnand indivizibil). Teoria atomica a secolului al XIX lea este intarita prin ipoteza lui A.Avogadro (1811) care a permis masurarea maselor moleculare si atomice. Daca in secolul al XIX lea atomul era considerat indivizibil, indestructibil si invariabil, astazi s-a stabilit ca atomii la randul lor sunt formati din alte particule.

Atomul reprezinta cea mai mica particula dintr-o substanta simpla si pura care poate exista si poate fi studiata independent. Fiecare atom este format dintr-un nucleu cu sarcina electrica pozitiva, inconjurat de unul sau mai multi electroni, aceste particule avand sarcina electrica negativa. Toti atomii unui element sunt identici intre ei, adica toti au aceeasi marime, proprietati oricare ar fi compozitia si proprietatile substantei din moleculele carora fac parte . De exemplu, atomii de hidrogen sunt identici chiar daca fac parte din moleculele unor substante atat de diferite cum ar fi : apa, amoniacul, acidul sulfuric, hidrogenul liber, etc. Atomii sunt in continua miscare, ei se pot desface din moleculele in care se gasesc si apoi se pot regrupa altfel, formand molecule noi. Deoarece atomii sunt cele mai mici particule ale elementelor ce pot forma combinatii chimice se poate spune ca ei reprezinta limita divizibilitatii chimice a materiei. Atomii aceluiasi element care ocupa toti acelasi loc in tabelul periodic al elementelor, dar au mase atomice diferite se numesc izotopi ( in greceste isos = acelasi, topos = loc). Atomii din molecule pot fi legati sau conectati in mai multe moduri, dar de fiecare data implica un schimb de electroni sau punerea lor in comun. Cele doua tipuri simple de legaturi chimice sunt legatura covalenta si ionica. In legatura covalenta atomii pun in comun electronii. In molecula de hidrogen, cei doi atomi de hidrogen sunt legati printr-o legatura covalenta. Cei doi electroni apartinand celor doi atomi de hidrogen se invart in jurul ambelor nuclee, si astfel stau impreuna. La legatura ionica un atom cedeaza unul sau mai multi electroni la atomul pereche, iar legatura intre ele se datoreaza fortei de atractie electrostatice. In mod normal numarul protonilor pozitivi dintr-un atom coincide cu numarul electronilor negativi. Aceste sarcini de marimi egale dar de sens contrar se anuleaza reciproc, astfel global atomul nu are sarcina electrica. Daca insa atomul pierde electroni, atunci sarcina pozitiva va fi preponderenta, iar atomul care a primit electroni va fi de sarcina negativa. Acesti atomi, care prezinta o sarcina globala pozitiva sau negativa, se numesc ioni. Ionii cu sarcini de sens opus se atrag, si tocmai aceasta forta de atractie mentine legatura intre atomi. Molecula din sarea de bucatarie se formeaza printr-o asemenea legatura ionica: un atom de sodiu cedeaza un electron unui atom de clor.

Acesti atomi diferiti ai aceluiasi element nu difera in caracterul lor chimic: fiecare formeaza aceleasi compozitii cu diferitele materiale, dar difera in caracteristicile lor fizice, de exemplu, ingheata sau incep fierberea la temperaturi diferite.

Legea lui Avogadro este una din legile gazelor. Legea a fost numită după Amedeo Avogadro, care în 1811 a enunțat ipoteza: Volume egale ale gazelor, la aceeași temperatură și presiune, conțin același număr de particule (sau molecule). Deci, numărul moleculelor dintr-un volum specific de gaz este independent de mărimea sau masa moleculelor de gaz. Matematic, legea se exprimă astfel:

. -unde: • • •

V = volumul gazului. n = numărul de moli. a este o constantă.

Un mol de gaz ocupă aproximativ 22,4 litri (dm3) în condiții standard de temperatură și presiune. Acest volum este numit volum molar al unui gaz. Numărul de molecule dintr-un mol de substanță este numărul lui Avogadro: aproximativ 6,023×1023 particule/mol. Legea lui Avogadro, împreună cu Legea combinată a gazelor, formează Legea gazului ideal. Motoare Termice Motoarele termice sunt motoarele ce consuma un combustibil (benzina, motorina, alcool, etc) si transforma caldura dezvoltata in lucru mecanic. Scurt istoric Inca din veacul al doilea i.e.n. Heron din Alexandria cunostea forta de expansiune a vaporilor si a construit chiar o turbina cu reactie. Inventia lui a cazut uitare datorita faptului ca relatiile de productie nu erau favorabile unei aplicatii mai largi in practica. Abia in 1707 Demis Papiu reactualizeaza problema si construieste o masina cu vapori pe care o instaleaza pe o corabie. Principiul de functionare era urmatorul: apa fierbea intr-un cazan inchis si vaporii treceau intr-un cilindru care impingea un piston; miscarea alternativa a psitonului era comandata manual prin deschiderea si inchiderea unor robinete. Mai tarziu, in anul 1765, scotianul James Watt perfectioneaza masina cu vapori, dandu-I forma definitiva sub care functioneaza si astazi. De-alungul timpului turbinele cu vapori s-au dezvoltat foarte mult, extinzandu-se pe o scara tot mai larga. Vaporii de abur au o masa specifica mult mai mica decat a apei

si de aceea trebuie sa intre in paletele turbinei cu o viteza mult mai mare. Aceasta viteza ajunge uneori la 1 km/s iar presiunea la 200 at. Motoarele cu ardere interna sunt motoarele termice de cea mai larga raspndire. Ele au inceput sa evolueze mult mai tarziu datorita temperaturilor dezvoltate (cca 2000 °C) in corpul motorului. Din acest motiv dezvoltarea lor a avut loc odata cu dezvoltarea metalurgiei care a ajuns sa produca oteluri si aliaje suficient de rezistente. Avantajul acestora fata de turbinele cu abur este in principal ca au gabarite mult mai reduse si pot fi puse in functine imediat. Astazi se construiestc asemenea masini cu puteri de 2500 CP la o greutate de numai 500g/CP. O alta masina termica este motorul Diesel. El a aparut la inceputul anului 1900 in Germania si a fost inventat de Rudolf Diesel. La aceste motoare aerul este comprimat rapid in cilindru pana la 25-30 at. Aceasta comprimare ridica temperatura pana la 7-800 °C, producand astfel aprinderea combustibilului sub forma de mici picaturi produse de un vaporizator. Motorul Diesel este mult mai robust decat motoarele cu explozie si are avantajul ca foloseste combustibil ieftin: motorina, titei sau chiar praf de carbune. Se fabrica pe scara larga in industrie, pe locomotive, automobile, autocamioane. In prezent puterea dezvoltata de aceste motoare poate ajunge pana la 20 000 CP. Legile de baza ale functionalitatii masinilor termice Masinile termice au la baza lor de functionare principiile I si II ale termodinamicii. Principiul I stabileste legatura dintre cantitatea de caldura produsa si energia mecanica absorbita sau invers. Intre o cantitate de caldura Q si lucru mecanic L din care a provenit vom avea relatia de echivalenta: L=f*Q unde f este numit echivalentul mecanic al caloriei. Principiul I al termodinamicii se enunta astfel: Intr-un sistem perfect izolat, suma energiilor de orice fel pe care le contine ramane constanta. Bazandu-ne pe aceasta afirmatie pentru a deduce ca daca dam un corp o cantiate de caldura ∆ Q peste cea pe care o avea initial, aceasta energie suplimentara poate sa aibe urmatoarele manifestari: 1. sa oblige corpul sa execute un lucru mecanic L exterior 2. sa ridice temperatura corpului 3. sa modifice structura interna a corpului In concluzie, din caldura ∆ Q data corpului o parte se va transforma in ∆ L care se manifesta ca lucru mecanic exterior, o parte ∆ U se absoarbe si produce o variatie a energiei interne. Expunerea matematica este urmatoarea: ∆ Q=∆ U+∆ L Principiul I stabileste numai cantitativ cat lucru mecanic se poate obtine dintr-o cantitate de caldura. Principiul al II-lea este si calitativ, deoarece se ocupa de calitatea energiilor, adica de posibilitatea unei transformari a lor in lucru mecanic util si arata ca aceasta transformare nu este integral posibila pentru caldura. Acest principiu a fost descoperit de Carnot in 1824 si se enunta astfel: Toate masinile termice care functioneaza intre aceleasi limite de temperatura au acelasi randament maxim, adica acelasi coeficient economic ideal. Coeficientul economic ideal se mai numeste si randament si are urmatoarea expresie matematica: η = 1 – T2/T1 sau η = ∆ T / T1 unde: T1 este sursa calda, T2 este sursa rece iar ∆ T este diferenta intre cele doua.

Randamentul unei masini termice este cu atat mai mare cu cat diferenta de temperatura dintre sursa calda si sursa rece este mai mare. De aceea masinila cu abur moderne folosesc supraincalzirea aburului de la intrare si condensarea lui la iesire. Principiul al II-lea al termodinamicii ne arata ca pentru ca o masina termica sa poata functiona este absolut nevoie de doua surse de caldura. Prin urmare, in orice masina termica avem un rezervor de caldura, la temperatura mai inalta, care o cedeaza unui organ de transformare. Acesta retine si transforma o parte din ea si transmite restul spre exterior, la temperatura mai joasa. In aceasta masina, caldura trece in mod natural de la temperaturile mai ridicate la cele mai joase. Masinile termice reale pot fi studiate pe baza ciclului Carnot. Pentru o masina termica organul de transformare a caldurii in lucru mecanic este in speta cilindrul si pistonul care primeste o cantitate de vapori sau de gaz, la o presiune, un volum si o temperatura date si o destinde la presiunea si temperatura din exterior. Pentru o masina cu vapori si pistoane, asa-zise alternative, gasim experimental urmatoarea curba parcursa in timpul unei miscari de dus si intros a pistonului; in aceasta diagrama distingem doua faze:

A

B A’

B’

1. In prima faza este parcursa portiunea de curba intre A si B. In timpul acesteia, vaporii se destind, cedeaza din caldura lor interna, misca pistonul si executa un lucru mecanic, proportional cu aria suprafetei A-B-B’-A’. 2. In faza a doua, masina absoarbe lucru mecanic din energia cinetica pentru a comprima vaporii ramasi in cilindru sau sa lupte impotriva celor care vin din cazan. Ciclul se inchide si lucrul mecanic absorbit este proportional cu dublul ariei suprafetei hasurate. Rezultatul final duce la un lucru mecanic util, deoarece faza a doua necesita mai putina energie decat s-a degajat in prima. Motorul cu ardere interna Un amestec de aer si de vapori de benzina sau de alti combustibili lichizi explodeaza atunci cand vine in contact cu o flacara iar forta de expansiune a gazelor formate prin ardere poate deveni forta motoare (lucru mecanic). Pe acest principiu se bazeaza diverse tipuri de motoare cu explozie.

Motorul termic cu explozie Intr-un cilindru patrunde un piston, a carui coada este de obicei articulata pentru a genera miscare circulara: Supapa Supapa S comunica cu de Supapa de un rezervor de benzina numit admisie evacuare carburator, in care un curent S’ B S de aer trece prin benzina si se incarca cu vapori. Supapa S’ Transforma Bujie comunica cu exteriorul. miscarea liniara Cele doua supape sunt in miscare Pisto actionate de un dispozitiv care circulara n le misca potrivit la intervale de timp bine stabilite si care se numeste ax cu came. Principiul de functionare este urmatorul: Timpul I: Absorbtia. Presupunem pistonul in capatul de jos al cilindrului. Supapa S, numita supapa de admisie, este deschisa iar supapa S’, numita supapa de evacuare, este inchisa. Cand pistonul se trage in cilindru, aspira amestecul exploziv de aer si benzina din carburator. Timpul II: Compresia. Supapa de admisie se inchide si pistonul care intra in cilindru comprima continutul. Timpul III: Aprinderea (ignitia). Pistonul a ajuns in capatul de sus al cilindrului. In acest moment, o scanteie electrica se produce in punctul B (bujie) si aprinde amestecul, facandu-l sa impinga pistonul in jos datorita cresterii bruste a volumului amestecului ce tocmai a explodat. Timpul IV: Evacuarea. Pistonul a ajuns in capatul de jos al cilindrului. Supapa de evacuare S’ se deschide iar pistonul, in virtutea impulsului capatat, se intoarce si evacueaza gazele de ardere prin S’. Intregul ciclu poate fi reprezentat in urmatoarea diagrama:

P

V Se poate observa cu usurinta ca ciclul de functionare al motorului cu ardere interna difera de cel al masinii cu vapori. La motorul cu explozie in patru timpi, descris anterior, gasim doua cicluri cuplate care sunt parcurse unul dupa celalalt, in sensuri contrare. Ele corespund celor patru timpi, respectiv miscarii pistonului, in intervalul dintre doua explozii consecutive. Si in acest caz aria mare corespunde producerii lucrului mecanic util iar cea mica a lucrului mecanic consumat de masina in timpul functionarii.

Din analiza diagramei rezulta ca masinile termice parcurg un ciclu inchis prin care toti parametrii de stare sunt adusi in situatia initiala. Din analiza ariilor celor doua cicluri putem deduce randamentul acestor masini. In continuare este prezentat un ciclu ideal de functionare a unei masini termice, comparandu-l cu cercul real descris anterior, pentru a imbunatati randamentul acestor masini. Ciclul ideal se numeste ciclul Carnot si are urmatoarea forma: Asa dupa cum se vede, el descrie doua curbe izoterme pe portiunile A-B si C-D si doua curbe adiabatice pe portiunile B-C si D-A. Aceste transformari sunt in anumite conditii ideale si deci si o masina termica ce ar functiona dupa acest ciclu ar avea randamentul

P

A T1

B

D T2

C V

ideal: η = (T1 – T2) / T1 T1 – temperatura de intrare T2 – temperatura de iesire Pentru a se realiza acest randament, trecerea de la T1 la T2 trebuie sa se faca brusc, astfel ca vaporii sa nu intalneasca pe drum temperaturi intermediare iar transformarile sa fie perfect reversibile. Masinile termice nu ating niciodata randamentul maxim ideal, fiind destul de departe de acesta. Acestea sunt cateva randamente ale unor masini termice: 1. 2. 3. 4. 5.

Masina cu abur simpla = 1,7% Masina cu abur perfectionata = 16% Turbinele cu vapori = 20% Motorul de automobil = 31% Motorul Diesel = 41%

In incheiere Exista si alternative la motoarele termice (de exemplu motorul electric ce functioneaza pe baza de curent electric care este transformat in camp magnetic) si care prezinta si resurse practic inepuizabile dar datorita costurilor carburantilor si posibilitatilor de a-i inmagazina, motoarele termice au ramas mult timp cele mai des intalnite. Cele mai clare exemple de motoare termice sunt motorul cu ardere interna pentru ca este si cel care se foloseste la automobile si motorul cu aburi folosit la locomotive in zone neelectrificate. In zona noastra exista chiar Termocentrala Mintia care produce curent electric bazandu-se pe principiul motoarelor termice. Vaporii de apa sunt incalziti pana la temperaturi ce depasesc 100°C si apoi sunt eliberati cu presiune pe paletele unei turbine generatoare, producand lucru mecanic prin rotirea acesteia.

1. Transformarea izotermă (Legea Boyle – Mariotte) Transformarea izotermă este transformarea în care temperatura şi masa gazului rămân constante. T = constant şi m = constantă Legea transformării izoterme (Legea Boyle-Mariotte) Enunţ: Într-o transformare izotermă, presiunea gazului variază invers proporţional cu volumul gazului. p ∙ V = constant Considerând două stări, iniţială 1 şi finală 2, transformarea izotermă (legea Boyle – Mariotte) poate fi rescrisă sub forma: p1 ∙ V1 = p2 ∙V2

2. Transformarea izobară (Legea Gay – Lussac) Transformarea izobară este transformarea în care presiunea şi masa gazului rămân constante. p = constant şi m = constantă Legea transformării izobare (Legea Gay – Lussac) Enunţ:

(1) Variaţia relativă a volumului unui gaz încălzit la presiune constantă este direct proporţională cu temperatura. (V – V0)/V0 = α ∙ t

unde: - V0 este volumul iniţial al gazului - V este volumul final al gazului

- α este coeficient de dilatare izobară, α = (1/273,15) grad-¹ = 1/T0

(2) Volumul unui gaz încălzit la presiune constantă creşte liniar cu temperatura. V = V0(1 + α ∙ t) (3) Volumul unui gaz încălzit la presiune constantă este direct proporţional cu temperatura absolută. V1/T1 = V2/T2

3. Transformarea izocoră (Legea lui Charles) Transformarea izocoră este transformarea în care volumul şi masa gazului

rămân constante. V = constant şi m = constantă Legea transformării izocore (Legea lui Charles) Enunţ: (1) Variaţia relativă a presiunii unui gaz încălzit la volum constant este direct proporţională cu temperatura. p – p0/p0 = β ∙ t unde: - p0 este presiunea iniţială a gazului - p este presiunea finală a gazului - β este coeficient termic al presiunii β = (1/273,15) grad-¹ = 1/T0 (2) Presiunea unui gaz încălzit la volum constant creşte liniar cu temperatura. p = p0(1 + β∙t) (3) Presiunea unui gaz încălzit la volum constant este proporţională cu temperatura absolută. p1/T1 = p2/T2

4. Transformarea generală (Ecuaţia Clapeyron – Mendeleev)

Transformarea generală este transformarea în care masa gazului rămâne constantă, iar temperatura, presiunea şi volumul se modifică.

(p ∙ V)/T = constant => (p1 ∙ V1)/T1 = (p2 ∙ V2)/T2 Observaţie:

Legile gazului studiate până aici se pot aplica numai atunci când cantitatea de gaz

este constantă! Atunci când cantitatea de gaz se modifică în procesul considerat nu se pot folosi aceste legi. Ecuaţia termică de stare (Ecuaţia Clapeyron – Mendeleev) Se poate folosi atunci când cantitatea de gaz variază. Ea stabileşte o legătură între parametrii de stare ai gazului ideal: p, V,μ, T şi υ. Se consideră un mol de gaz ideal aflat în condiţii normale de presiune şi temperatură: υ – moli (kmoli) de gaz p0 = 1,013 ∙10 N/m² T0 = 273,15 K Vμ0 = 22,43 m³/kmol => p0 Vμ0 = R T0 R – este constanta universală a gazelor pV = υRT = mRT/μ