Entropia Sistemelor Reale

Entropia sistemelor reale

Entropia este o funcție termodinamică de stare, cu proprietatea remarcabilă că într-un sistem izolat nici un proces nu poate duce la scăderea ei. Noțiunea a fost introdusă de Rudolf Clausius,Entropia fiind o mărime de stare importantă pentru sistemele termodinamice, este folosită la reprezentări grafice ca mărime de referință a unei axe de coordonate. Diagramele care au ca mărime de referință pentru una din axele de coordonate, entropia, se numesc diagrame entropice. În diagrama entropică T-S poate fi reprezentată orice transformare reversibilă. Termodinamica se ocupă cu studiul macroscopic al fenomenelor, de orice natură, în care are loc un transfer de energie sub forma de căldură și lucru mecanic. Numele este derivat din limba greacă (θέέρμηtherme = căldură, δύέναμιςdynamis = forță) și a fost creat de lordul Kelvin care a formulat și prima definiție a termodinamicii. În germană termodinamica mai poartă și numele de Wärmelehre (teoria căldurii) creat de Rudolf Clausius in lucrările sale despre teoria mecanică a căldurii.

Termodinamica reprezintă în zilele

noastre una din cele mai bine structurate logic ramuri ale fizicii. Născută la începutul secolului al XIX-lea din necesitatea practică de a optimiza randamentul

motoarelor

cu

abur,

termodinamica

a

devenit

una

din

disciplinele clasice ale fizicii teoretice. Termodinamica studiază procesele fizice care au loc în sisteme cu un număr foarte mare

de particule, în care intervin şi fenomene termice. Un sistem

termodinamic este o porţiune oarecare din Univers care poate interacţiona cu mediul înconjurător (exteriorul). Clasificarea proceselor termodinamice se poate face din mai multe puncte de vedere. Procesele termodinamice pot fi clasificate din mai multe puncte de vedere:

a) după legătura dintre starea finală şi cea iniţială, în: - ciclice, când starea finală coincide cu starea iniţială; - neciclice, când starea finală este diferită de starea iniţială. b) după mărimea variaţiei relative a parametrilor de stare, în: - infinitezimale (variaţia relativă a parametrilor de stare este foarte mică); - finite (cel puţin un parametru suferă o variaţie finită). c) după viteza de desfăşurare (natura stărilor intermediare), în: - cvasistatice (stările intermediare sunt arbitrar de apropiate de stările de echilibru); - nestatice (stările intermediare nu pot fi complet caracterizate din punct de vedere termodinamic, sistemul nefiind omogen Principiile termodinamicii sunt generalizări și abstractizări ale unor fapte experimentale; ele formează baza teoretică a termodinamicii. • Principiul zero

al termodinamicii are, la autori diferiți și în contexte

diferite, conținuturi diferite; anume, el se poate referi la unul sau la altul dintre următoarele două aspecte ale stărilor de echilibru ale unui sistem termodinamic: -stabilirea echilibrului termodinamic, sau -tranzitivitatea echilibrului termic. •Principiul întâi al termodinamicii stabilește echivalența dintre lucru mecanic și cantitate de căldură, ca forme ale schimbului de energie între un sistem și lumea înconjurătoare. Una din consecințele sale este existența unei funcții de stare numită energie internă. •Principiul al doilea al termodinamicii susține, într-o formulare primară, imposibilitatea existenței unei mașini termice care, primind o cantitate de

căldură de la o singură sursă, să producă lucrul mecanic echivalent. Una din consecințele sale este existența unei funcții de stare numită entropie. •Principiul al treilea al termodinamicii afirmă că, atunci când temperatura tinde către zero absolut, entropia oricărui sistem tinde către zero. El nu rezultă din abstractizarea directă a unor fapte experimentale, ci este extinderea unor consecințe ale principiilor precedente.

Transformări termodinamice de stare O modificare a stării sistemului este denumită proces (transformare),iar drumul pe care îl parcurge procesul de lastarea iniţială la stare finală estedescrisde o succesiune de stări prin care sistemul trece. Intre cele două stări, iniţială şi finală,trebuie să existe o diferenţă de valoare pentru cel puţin un parametru de stare. In timpul unui proces termodinamic apare modificarea stării sistemului, această

transformare fiind însoţită de schimb de energie sub formă de

căldură şi de lucru cu mediul

exterior cu care sistemul interacţionează.

Pentru determinarea cantitativă a căldurii şi a lucrului schimbat, trebuie să se cunoască: tipul transformării dat prin ecuaţia transformării; parametrii de stare iniţiali şi finali şi sensul în care decurge transformarea. Scoaterea sistemului din starea de echilibru extern are loc atunci când sistemul schimbă energie, sub formă de căldură sau de lucru, cu mediul exterior în cursul unui proces termodinamic. Dezechilibrul intern nu se ia în considerare,

deoarece

uniformizarea

stării

energetice,

deci

egalitatea

parametrilor de stare, în interiorul sistemului (revenirea la starea de echilibru), are loc într-un timp foarte scurt, denumit timp de relaxare. Acest timp are valori diferite în funcţie de natura procesului şi de proprietăţile sistemului. Astfel uniformizarea presiunii într-un gaz are loc într-un interval de timp τ~10-16 s, iar egalizarea concentraţiilor intr-un aliaj metalic poate avea loc in câţiva ani.

Transformările

de

stare

se

împart

în

transformări

reversibile

şi

ireversibile. Procesele sau transformările

termodinamice reversibile

au loc

atunci

când trecerea sistemului de la starea iniţiala de echilibru intern şi extern, la starea finală de echilibru intern

şi extern, se realizează prin stări

intermediare de echilibru intern şi extern.La aceste transformări sistemul trece prin stări intermediare, toate de echilibru, stări generate de o modificare mică, elementară, a parametrilor de stare. În urma acestor mici modificări viteza de desfăşurare a procesului este foarte mare pentrua permite sistemului să revină de fiecare dată la o nouă stare de echilibru. Pentru procese reversibile, capacitatea caloric C reprezintă raportul dintre cantitatea de

căldură elementară comunicatăunui corp într-un proces

oarecare şi variaţia corespunzătoare a temperaturii corpului. O transformare izocoră are loc la volum constant. O consecință este că lucrul mecanic exterior este nul. Căldura schimbată într-un astfel de proces este transformată în întregime în variația de energie internă a sistemului, materializată prin variația presiunii și temperaturii sistemului. Un exemplu de astfel de sistem este un vas închis încălzit. Perechea de parametri conjugați semnificativă este T-s. O transformare izobară are loc la presiune constantă. Un exemplu de astfel de transformare apare într-un cilindru închis (sistem termodinamic izolat) în care pistonul se mișcă, însă presiunea din cilindru rămâne constantă, de exemplu presiunea atmosferică. Perechea de parametri conjugați semnificativă este p-V. O transformare izotermă are loc la temperatură constantă. Un exemplu de astfel de transformare apare într-un cilindru închis în contact termic perfect cu mediul ambiant. Lucrul mecanic produs de piston este obținut din căldură, care este primită din mediul ambiant, temperatura rămânând constantă. Oricare dintre perechile de parametri conjugați p-V sau T-s sunt semnificative.

O transformare adiabatică are loc fără schimb de căldură cu mediul ambiant. Un exemplu de astfel de transformare apare într-un cilindru închis izolat din punct de vedere termic cu mediul ambiant. Lucrul mecanic produs de piston este obținut din energia internă a sistemului. Oricare dintre perechile de parametri conjugați p-V sau T-s sunt semnificative. Transformarea politropică apare când exponentul politropic (vezi mai jos legea de transformare) este constant și este o generalizare a transformărilor prezentate mai sus. Un exemplu de astfel de transformare apare într-un cilindru închis, dar care poate schimba cu mediul ambiant atât lucru mecanic, cât și căldură. Lucrul mecanic produs de piston este obținut atât din căldura provenită din mediul ambiant, cât și din energia internă a sistemului. Oricare dintre perechile de parametri conjugați p-V sau T-s sunt semnificative. Transformare izoentalpică - La gazul perfect capacitatea termică masică nu variază cu temperatura, astfel că în cazul transformărilor reversibile transformarea izoentalpă este identică cu transformarea izotermă. Transformare izoentropică - La gazul perfect capacitatea termică masică nu variază cu temperatura, astfel că în cazul transformărilor reversibile transformarea izoentropică este identică cu transformarea adiabatică. Transformarea ireversibilă apare atunci când condiţia de echilibru intern sau extern nu este respectată. Transformările termodinamice reale nu pot fi niciodată reversibile datorita unor fenomene ireversibile ,precum: - Ireversibilitatea externă - Ireversibilitatea internă - Ireversibilitatea de pompaj Ireversibilitatea egalităţi

externă

apare

datorită imposibilităţii realizării unei

între temperatura agentului termic şi a pereţilor incintei în care

acesta evoluează, deoarece pentru realizarea schimbului de căldura este

necesară o diferenţă finită de temperatură între fluid şi perete, deci schimbul de căldura este ireversibil. Ireversibilitatea

internă

apare datorită frecării

pistonului

de pereţii

cilindrului, la transformările închise, sau a frecării vâscoase a fluidului de pereţii canalului prin care curge, la transformări deschise. În ambele cazuri trebuie adăugat şi efectul viscozităţii fluidului, prin curgerea relativă

a

straturilor, efectul turbulenţei, fenomene care generează frecare în interiorul fluidului, deci disipare de energie. Pentru învingerea acestor frecări se consumă

lucru suplimentar. În cazul proceselor reale în care se produce

lucru rezultă o reducere a acestuia în raport cu lucrul aferent unui proces reversibil. La procesele reale consumatoare de

lucru este necesar a fi dat

sistemului un lucru suplimentar faţă de lucru reversibil. Ireversibilitatea de pompaj, cauzată de procesele de umplere sau golire care au loc la

sistemele termice, se datoreşte existenţei unei diferenţe finite de

presiune, diferenţe care sistem.

determină schimbul de substanţă între mediu şi