CLDURA I LUCRUL MECANIC ENERGIA INTERN punte de

CĂLDURA ŞI LUCRUL MECANIC ENERGIA INTERNĂ, punte de legătură între fenomenele termodinamice Argument: programa şcolară şi, implicit, manualele alternative nu prezintă fenomenele termice într-o legătură cauzală, pe înţelesul elevilor din gimnaziu. “Veriga” lipsă este noţiunea Energie internă(U). Eu o introduc încă din cls. a VII-a, pentru a explica agitaţia termică. Cu atât mai mult este necesară în cls. a VIII-a, la transformări de stare. Lecţia este un extras dintr-un referat prezentat la un simpozion naţional. Conţine: teoria, aplicaţii maşina frigorifică, pompa de căldură şi probleme.

Pentru a ilustra interdependenţa proceselor termice, facem referire la cele învăţate în gimnaziu: dilataţia, fierberea, topirea, condensarea etc. Graficele trasate demonstrează dependenţa unor mărimi fizice de temperatură (fig. 1 şi 2) şi de timp (fig. 3) şi oferă posibilitatea înţelegerii şi corelării dintre noţiunile de densitate, volum şi temperatură. t ( c) 120 (kg/m 3 ))) V(cm 3) 0) 0 V V 0 200 t ( c) Fig. 1 t Fig. 2 t ( c) 80 20 A B Q Q Q 3 2 1 Fig. 3 t (s)

Elevii ne pun astfel de întrebări: ♦ de ce se dilată un corp prin încălzire? ♦ dacă se dilată, cine efectuează lucrul mecanic? ♦ de ce nu creşte temperatura în timpul topirii sau fierberii unei substanţe? Corpul nu mai primeşte căldură? (fig. 3) În clasa a VII-a şi a VIII-a elevii învaţă despre: ♦ transformarea L în Q (Experiementul lui Joule); ♦ motorul termic (Otto) – Q se transformă în L, gazele efectuează L mecanic; ♦ propagarea căldurii prin conducţie; ♦ transformări de stare – călduri latente (de topire şi de vaporizare)

Întrebări pe care pot (şi trebuie) să le pună elevii: ♦de ce căldura este o mărime fizică de proces? ♦ cum se explică încălzirea unui corp? ♦ Ştim că L este o mărime de proces ♦ Şi Q este o mărime de proces ♦ Este corectă afirmaţia: “Corpul are căldură? ” ♦ Cine realizează legătura dintre Q şi L? (fig. 4 şi fig. 5) ♦ Cum se propagă căldura prin metale? ♦ Care este diferenţa dintre conducţie şi convecţie? ♦ De ce rămâne constantă temperatura corpului în timpul schimbării stării de agregare? L L ? Q Q Sursa caldă Fig. 4 Fig. 5

HERON şi invenţiile sale Heron din Alexandria, Egipt, a inventat prima turbină cu aburi- eolipila - în sec. I Î. Hr. Aburul se forma în cazanul de jos, urca prin interiorul ţevilor de susţinere a sferei şi se destindea în nişte ştuţuri fixate pe ea. Conform Principiului acţiunii şi reacţiunii, sfera se rotea în sens invers jetului de vapori. Dispozitivul nu avea o aplicaţie practică, dar demonstra transformarea energiei termice în lucru mecanic. Eolipila lui Heron, considerată prima turbină cu abur cu reacţiune

Ştim U=f(t˚), iarvitezeleparticulelorsuntdirectproporţionalecu cu Ştim căcă U=f(t 0), temperatura. S-au folosit următoarele notaţii: d d -- distanţa dintre particule; densitate solid; particule; Fc Fc -- forţe de de coeziune; s s– – solid; ll – – lichid; (ρsrestul fiind ρldesitate lichid; ds- dist. dintre molecule la solid; dl– dist. la lichid; Epscunoscute. energia potenţială elastică la solid; Ecs- energia cinetică la solid; Epl - Epe la lichid; Ecl – Ec la lichid; Us- energia internă a solidului; Ul- energia internă a lichidului) Stare solidă Topire Qprim serveşte pentru. . . ? Vs; ρs; ds; t˚s; Fc(s); Eps; Ecs E ; E ps cs → Us Us Stare lichid Stare ă lichidă Vl; ρl; dl t˚l; Fc(l) Epl; Ecl → Ul Se pot stabili următoarele corelări: t˚s < t˚l → Vs < Vl → ds < dl → ρs > ρl → Fc(s) > Fc(l) Se cere relaţia dintre Us şi Ul.

APLICAŢII LA FIERBEREA APEI ŞI TOPIREA GHEŢII Pentru a convinge elevii de corectitudinea acestor deducţii le putem oferi exemple concrete. Apa fierbe la t˚ = 100˚C, când presiunea atmosferică (p = 100. 000 N/m 2) rămâne constantă. Volumul vaporilor de apă (Vv) este mai mare decât volumul apei (Vl). Lucrul mecanic efectuat pentru destindere este L = p(Vv – Vl). Căldura primită de apă este Q = m v, unde v reprezintă căldura latentă de vaporizare a apei la t˚ şi p constante. Aplicând principiul I al termodinamicii, U = Q – L = m v – p(Vv – Vl), putem calcula U pentru 1 kg de apă. Vl = 1 l = 0, 001 m 3; Vv = 1, 7 m 3; v = 2250 k. J/kg; Q = 2250 k. J; L = 170 k. J; U = Q – L = 2080 k. J.

Rezultă că din toată căldura Q primită de apă pentru vaporizare, 170 k. J se consumă sub formă de lucru mecanic pentru creşterea volumului, iar 2080 k. J rămân sistemului (vaporilor) sub formă de energie internă. U reprezintă lucrul mecanic intern pentru învingerea forţelor de coeziune dintre moleculele de apă pentru depărtarea lor la distanţele corespunzătoare stării de vapori. Acelaşi raţionament se poate aplica şi topirii unui kg de gheaţă. La topire, variaţia volumului este mică, neglijabilă, astfel încât L = 0. g=335 k. J/kg, la 0˚C şi 1 atm. Q = m g =335 k. J. Conform principiului I, U = Q – L, U = Q, rezultă că întreaga căldură primită de gheaţă rămâne în sistem pentru creşterea energiei interne, care corespunde creşterii energiei potenţiale moleculare prin mărirea distanţelor dintre molecule, în starea lichidă.

Analogie căldură - mecanică Procese mecanice L = Ec L = Ep Et = Ec + Ep Procese termodinamice L = U Q = U + L După ce explicăm elevilor că energia internă este o mărime fizică de stare şi care sunt “implicaţiile” acesteia în procesele fizice învăţate în clasa a VII-a, putem trece la prezentarea unor aplicaţii tehnice. Sistem termodinamic (corp) Q Sistem termodinamic (corp) L Un corp (sistem termodinamic) poate face schimb de Q şi L cu mediul înconjurător.

Denis Papin - autoclava cu aburi şi oala sub presiune Denis Papin (1647 - 1712) a fost fizician, matematician şi inventator francez cunoscut pentru construirea autoclavei cu aburi şi a oalei sub presiune, precursor al motorului cu aburi. Tranziţia spre vehicule Autoclava cu abur (1679) Primul motor cu abur a fost proiectat în 1698 de Thomas Savery, inginer englez. El era conceput să pompeze apa din mine, dar singura lui întrebuinţare a fost de a pompa apa în casele înalte din Londra. Primul motor performant a fost construit în 1712 de inginerul Thomas Newcomen, din Cornwall. Acesta avea un braţ mare care pompa apa în 16 mişcări de du-te-vino pe minut. Nicolas Cugnot a fost primul care, în 1769, a folosit motorul cu abur la un vehicul. Putea transporta 4 persoane însă a fost folosit la transportul armamaentului greu. Atingea viteza maximă de 5 km/h!

Aburul efectuează lucru mecanic Animaţia unui motor cu aburi, orizontal, cu dublă acţionare, cu reglaj centrifugal

MOTORUL CU ABUR Schema unui motor cu abur cu 3 rezervoare de expansiune

TRANSFORMĂRI DE STARE ÎN APLICAŢII PRACTICE Pornind de la motorul termic (vezi şi fig. 4), putem explica foarte uşor principiul de funcţionare al maşinilor frigorifice şi al pompelor de căldură, cu implicaţiile ecologice corespunzătoare. Maşina frigorifică poate fi asemănată cu un motor termic ce funcţionează în sens invers: extrage căldură de la sursa rece, cedând-o sursei calde. În fig. 6 este reprezentată diagrama fluxului de enegie termică pentru o maşină frigorifică. Aplicând principiul I al termodinamicii, – Qc = Qr – L, se poate defini eficacitatea maşinii frigorifice: Eficacitate = – Qrece/L Eficacitatea poate fi de 2 – 6 ori şi este cu atât mai mare cu cât se extrage mai multă Qr cu un consum de L cât mai mic.

Maşina frigorifică Tc Q c al d L Tr Q re c e fig. 6 Principiul I al termodinamicii, Q = U + L, se aplică destinderii adiabatice a substanţei de lucru: Q = 0; L = - U, astfel încât temperatura agentului scade. Procesul de trecere a unui fluid printr-o deschidere îngustă (C în fig. 7) joacă un rol esenţial în funcţionarea unei maşini frigorifice deoarece este procesul prin care se obţine scăderea temperaturii pentru refrigerare. Lichidele care sunt pe punctul de a se evapora (lichide saturate) suferă întotdeauna o scădere a temperaturii şi o vaporizare parţială, ca rezultat al unui proces de acest tip. La gaze se observă o modificare a temperaturii în funcţie de presiunea iniţială şi presiunea finală.

SCHEMA MAŞINII FRIGORIFICE L A Gaz la presiune scăzută D Qp Gaz la presiune înaltă Qc Lichid la presiune scăzută B Lichid la presiune înaltă C fig. 7

Funcţionarea În fig. 7 este ilustrat principiul de funcţionare al ciclului frigorific. Compresorul A efectuează lucru mecanic În fig. 7 este ilustrat principiul de funcţionare al ciclului comprimând gazul (pentan etc) la temperatură şi presiune frigorific. Compresorul A efectuează lucru mecanic ridicată. Acesta trece în lichid la presiune înaltă, prin cedarea comprimând gazul (pentan etc) la temperatură şi presiune căldurii Qc mediului ambiant (condensator) B, urmează ridicată. Acesta trece în lichid la presiune înaltă, prin destinderea adiabatică la trecerea prin supapa de expansiune cedarea căldurii Qc mediului ambiant (condensator) B, (sau laminare) C sub forma unui amestec de lichid şi vapori la urmează destinderea adiabatică, la trecerea prin supapa de presiune şi temperatură mai scăzute. În vaporizatorul D se expansiune (sau laminare) C, sub forma unui amestec de absoarbe căldura Qp din congelator, restul lichidului lichid şi vapori la presiune şi temperatură mai scăzute. În transformându-se în vapori la presiune scăzută, care se reîntorc vaporizatorul D se absoarbe căldura Qp din congelator, în compresorul A pentru un nou ciclu. restul lichidului transformându-se în vapori la presiune scăzută, care se reîntorc în compresorul A pentru un nou ciclu.

Schema frigiderului

Randament şi ecologie Pentru producerea energiei electrice se consumă diverşi combustibili. Să comparăm randamentele unor centrale electrice şi implicaţiile ecologice pentru mediu. Pentru o termocentrală distingem trei randamente* : termic= 0, 85; termodinamic= 0, 5; electric= 0, 99. Randamentul total este total= 40%. Pentru centralele nuclearoelectrice total= 30%. Pe lângă celellalte probleme ecologice legate de funcţionarea centralelor electrice, poate fi luată în considerare şi cea referitoare la încălzirea mediului. Nu se poate mări randamentul. O sursă ecologică de energie ar putea fi considerat Soarele. Puterea radiaţiei solare este de 1, 4 k. W/m 2. * Primul randament se referă la căldura transferată apei prin arderea combustibilului (cărbuni) în focar; al doilea se referă la randamentul turbinei care este acţionată de vaporii de apă, iar al treilea se referă la randamentul generatorului electric.

Probleme 1. Este posibil să răcim o cameră închisă, izolată termic, cu ajutorul unui frigider aflat în cameră şi căruia i-am lăsat uşa deschisă? 2. Un frigider, funcţionând pe baza ciclului Carnot, ia căldură de la o cantitate de apă aflată la 0˚C şi cedează căldură unei camere la 27˚C. Presupunând că 50 kg de apă la 0˚C sunt transformate în gheaţă la aceeaşi temperatură, calculaţi: a. ce cantitate de căldură este cedată camerei? b. câtă energie trebuie furnizată frigiderului?

PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE AL POMPEI DE CALDURA (PDC) CU COMPRIMARE DE VAPORI ACTIONATA ELECTRIC Pompa de căldură datează de la începutul sec. XX odată cu inventarea frigiderului. La baza funcţionării PDC stau fenomene şi legi fizice: Principiul al II lea al termodinamicii - "Căldura nu poate trece niciodată de la sine de la un corp cu temperatura mai joasă la unul cu temperatura mai înaltă " ( enunţul lui Clausius) În secolul al XIX - lea, cunoscutul fizician J. Watt a descoperit că un gaz care este comprimat degajă căldură şi, invers, dacă este destins - absoarbe căldură! În timpul funcţionării PDC există: • un corp cu temperatura mai joasă (de exemplu mediul ambiant - aer, apă, sol) pe care îl vom numi sursa rece ( şi care ajunge în vaporizator); • un corp cu temperatura mai mică decât a sursei reci, numit agent frigorific (conform principiului enunţat poate prelua căldura sursei reci); • un corp care va trebui să primească , de la agentul frigorific, căldura (în condensator), numit agent termic; Agentul frigorific, pe lângă faptul că are un punct de fierbere foarte scăzut (cca -2 º C) are şi proprietatea de a acumula energie transfomându-se din stare lichidă în stare gazoasă şi poate ceda uşor această caldură revenind la starea lichidă iniţială.

POMPA DE CĂLDURĂ Reprezentare schematică a ciclului de funcţionare prin vaporizarecondensare pentru o pompă de căldură: 1) condensator; 2) supapă de expansiune; 3) evaporator; 4) compressor.

Tipuri de pompe de căldură Sunt două tipuri principale: a. pompe de căldură cu compresie și b. pompe de căldură cu absorbție. Pompele de căldură cu compresie funcționează întotdeauna pe energie mecanică (prin energie electrică), în timp ce pompele de căldură cu absorbție pot și pe căldură ca sursă de energie (prin intermediul energiei electrice sau al combustibililor). 1. pompe de căldură pe sursă de aer (extrag căldura din aerul exterior): ▪ pompe de căldură aer-aer (transferă energie termică aerului din interior) ▪ pompe de căldură aer-apă (transferă energie termică la un rezervor de apă) 2. pompe de căldură geotermale (extrag căldura din sol sau din surse similare): ▪ pompe de căldură geotermale-aer (transfer de energie termică către aerul din interior) - pompe de căldură sol-aer de (solul este sursă de căldură) - pompe de căldură rocă-aer de (roca este sursă de căldură) - pompe de căldură apă-aer (corp de apă ca sursă de căldură) ▪ pompe de căldură geotermale-apă (transferă caldură la un rezervor de apă) - - pompe de căldură sol-apă (solul este sursă de căldură) - pompe de căldură roca-apă (roca este sursă de căldură) - pompe de căldură apă-apă (corp de apă ca sursă de căldură)

Schema de funcţionare a unei PDC Pompa de căldură foloseşte puţină energie, necesară doar pentru acţionarea compresorului. Pe parcursul anului, deşi temperatura exterioară variază considerabil de la un anotimp la altul, temperatura din interiorul solului rămâne relativ constantă. Pământul are capacitatea de a absorbi şi de a stoca energia termică.

Energia geotermală – sursă de energie regenerabilă nepoluantă În Europa de Vest, pompele de căldură sunt folosite pe scară largă pentru extragerea căldurii din apele geotermale. Au o eficacitate sporită şi un consum redus de energie electrică.

Lecţia n-a luat sfârşit. Ea poate fi continuată şi completată cu alte ilustraţii şi informaţii despre acest subiect. Vă doresc succes! La adresa http: //www. pompedecaldura. ro/homephp găsiţi o animaţie foarte instructivă. Prof. Ştefan Poncea, Şc. “Ep. Dionisie Romano”, Buzău e-mail: rei_buzau@yahoo. com www. revistarei-webgarden. ro