FENOMENE TERMICE

Prin fenomen termic înţelegem, în general, orice fenomen fizic legat de mişcarea complet dezordonată care se manifestă la nivel molecular. Fenomene fizice cum sunt: variaţia proprietăţilor fizice ale substanţei la încălzirea sau răcirea ei, schimbul de căldură dintre corpurile încălzite diferit, transformarea căldurii (obţinută prin arderea combustibililor) în lucru mecanic, etc. constituie exemple de fenomene termice.
Temperatura unui corp este direct legată de agitaţia moleculelor lui. Cu cât agitaţia moleculară este mai mare, cu atât temperatura este mai mare. Mişcarea dezordonată a moleculelor se numeşte agitaţie termică.
O serie întreagă de experienţe efectuate cu corpuri, aflate în diferite stări de agregare, au pus în evidenţă mişcarea de agitaţie permanentă a moleculelor oricărui corp.
Într-un cilindru de sticlă se introduce un gaz colorat, mai greu decât aerul (de exemplu dioxid de azot, un gaz de culoare roşie). Se acoperă cilindrul cu un capac (o placă de metal sau de sticlă). Peste capac se aşează, cu gura în jos, un alt cilindru, identic cu primul, care conţine aer.
Se scoate cu grijă placa dintre cilindri astfel ca cilindrul
de sus să rămână sprijinit pe cel de jos. După un anumit
timp, se constată că cele două gaze se amestecă de la
aer sine. Fenomenul poartă numele de difuzie.
Amestecarea celor două gaze s-a realizat datorită mişcă-
placă rii moleculelor de gaz în toate direcţiile, fără să existe
o direcţie preferenţială de mişcare. Dacă o asemenea
dioxid de direcţie ar exista, amestecul gazos obţinut nu ar fi colo-
azot rat uniform.




Agitaţia termică nu este produsă de o cauză exterioară (este spontană), ea nu încetează niciodată şi creşte odată cu mărirea temperaturii.
Energia internă a unui corp este suma dintre energiile cinetice ale tuturor moleculelor datorată mişcării de agitaţie termică şi energiile potenţiale ale lor.
Energia internă a corpurilor se poate modifica prin schimb de căldură.
Corpurile care pot schimba căldură între ele sunt în contact termic.
Când două corpuri aflate la temperaturi diferite sunt puse în contact termic ele schimbă căldură. Căldura trece de la cel cu temperatura mai ridicată la cel cu temperatură mai scăzută. Temperaturile corpurilor care se pun în contact termic determină sensul în care se face schimbul de căldură. Schimbul de căldură încetează când temperaturile devin egale, deci corpurile au ajuns la echilibru termic.
Punem un pahar de sticlă subţire, umplut cu apă rece, într-un vas cu apă fierbinte. Introducem în fiecare vas câte un termoscop (cu alcool).Aşteptăm un timp scurt, după care urmărim nivelul alcoolului în cele două vase.












Iniţial Final


Se constată la început că nivelul alcoolului este diferit în cele două vase, ceea ce înseamnă că acestea au stări de încălzire diferite. Urmărind în timp nivelul alcoolului se constată că nivelul creşte în termoscopul pus în vasul rece şi scade în termoscopul din vasul cu apă caldă. Deci aceste două corpuri sunt în contact termic.
Căldura se poate propaga în trei moduri diferite: prin radiaţie, prin convecţie şi prin conducţie. Prin spaţiul liber se transmite ca radiaţie termică. În lichide şi în gaze, căldura este transportată de curenţi calzi, numiţi curenţi de convecţie, iar prin solide ca metalele, căldura se propagă prin conducţie.
Radiaţia termică se mai numeşte şi radiaţie infraroşie deoarece este asemănătoare luminii. Ea constă, ca şi radiaţia luminoasă, din unde electromagnetice ce se propagă în spaţiu cu mare viteză. Orice obiect mai cald decât mediul său înconjurător emite mai multă radiaţie infraroşie decât absoarbe. Obiectele reci absorb mai mult din radiaţia infraroşie care ajunge la ele, decât emit ele însele. Obiectele de culoare închisă absorb şi emit căldură în măsură mai mare decât cele de culoare deschisă.
Când un gaz – aerul, de pildă – se încălzeşte de la o lumânare, se dilată. Aerul cald devine mai puţin dens decât aerul mai rece care îl înconjoară, deci se ridică. Pe măsură ce aerul cald se ridică, aerul rece îi ocupă locul. Astfel ia naştere un curent neîntrerupt de aer: aerul cald se ridică, transportând căldura; după ce se răceşte, coboară şi este încălzit iarăşi. Aceştia sunt curenţii de convecţie. La scară mai mare, curenţii de convecţie se formează şi în atmosferă, generând vânturile. Aerul se încălzeşte de la Soare într-o regiune foarte caldă –la tropice, de exemplu. Aerul cald se ridică, iar aerul din regiunile mai reci se deplasează pentru a-i lua locul. Curenţii de convecţie propagă căldura în masa lichidelor la fel ca şi în gaze. Boabele de mazăre din apa care clocoteşte într-o oală sunt purtate spre suprafaţă de curenţii de convecţie.
Dacă încălzim unul din capetele unei bare de metal la flacăra unei lumânări, atomii de metal din apropierea flăcării vor primi de la aceasta o energie suplimentară. Ei încep să vibreze mai rapid, ciocnind atomii învecinaţi şi transferându-le energie. Aceştia, la rândul lor, procedează la fel cu atomii alăturaţi, cedându-le energie. Prin procesul acesta, numit conducţie, căldura este transportată de-a lungul barei. Când atingem cu mâna un obiect metalic, ne pare adesea mai rece decât este în realitate. Cauza este faptul că metalul preia şi transportă rapid căldura mâinii. Un material rău conducător, o bucată de pânză, de exemplu, nu dă senzaţia de rece.
Când un corp primeşte sau cedează căldură, atunci temperatura sa se modifică. Între căldura schimbată de un corp şi variaţia temperaturii sale există o dependenţă care este determinată de natura corpului şi de condiţiile fizice, în care are loc schimbul de căldură. Mărimile ce stabilesc o legătură cantitativă între căldura Q primită sau cedată de un corp şi variaţia temperaturii sale Δθ se numesc coeficienţi calorici.
Pentru măsurarea căldurii Q se foloseşte în mod curent unitatea de măsură din Sistemul Internaţional, Joule ( J ).



Căldura Q este direct proporţională cu masa m şi cu intervalul de temperatură Δθ depinzând şi de natura substanţei corpului:

Q = c • m • Δθ

Coeficientul c depinde de natura substanţei încălzite; se numeşte căldură specifică. El reprezintă cantitatea de căldură necesară încălzirii unui kilogram de substanţă cu un grad Celsius.
Dacă masa corpului este m atunci căldura specifică are expresia :

c = 1/m • Q/Δθ

Deci pentru a încălzi un corp cu Δθ grade este necesar să transmitem corpului căldura Q. Mărimea fizică numeric egală cu căldura necesară pentru a varia temperatura unui corp cu un grad Celsius se numeşte capacitatea calorică a corpului şi se notează cu C. Valoarea sa este dată de expresia :

C = Q/Δθ

Din relaţiile de mai sus se poate stabili o legătură între capacitatea calorică C şi căldura specifică c :
C = m • c

Obţinerea căldurii este o problemă de mare însemnătate pentru omenire. Încălzirea locuinţelor, pregătirea hranei, procesele de prelucrare a materialelor folosite în tehnică nu ar fi posibile dacă omul nu ar dispune de diferite mijloace de producere a căldurii. Combustibilii sunt substanţe care prin ardere degajă căldură şi pot încălzi corpurile din jur. După modul în care se obţin, combustibilii sunt: naturali (cărbune, lemn, petrol, gaz metan) şi artificiali, obţinuţi prin prelucrarea celor naturali: benzină, motorină etc.
După starea de agregare la temperatura normală, combustibilii sunt: solizi (lemn, cărbune), lichizi (petrol, benzină, alcool) şi gazoşi (gazul metan, hidrogenul).
Combustibilii folosiţi pentru obţinerea căldurii prin ardere trebuie să îndeplinească următoarele calităţi: temperatura de aprindere să nu fie prea mare, temperatura de combustie să fie ridicată, iar arderea să fie întreţinută.
Prin arderea unor cantităţi diferite din acelaşi combustibil se obţin călduri diferite proporţional cu masa de combustibil ars.
Dacă un combustibil nu ajunge la temperatura de aprindere, el nu arde.
Vom compara în continuare doi combustibili, alcool şi petrol, pentru a vedea dacă cedează aceeaşi căldură prin ardere completă.
Luăm două spirtiere identice în care punem în cantităţi mici, egale, alcool medicinal şi, respectiv, petrol lampant sau petrosin. Alegem două vase de sticlă identice şi punem în fiecare câte 100 g de apă. Aprindem spirtierele şi, după epuizarea combustibilului, vom măsura şi compara temperaturile apei în cele două vase. Se constată că variaţiile de temperatură obţinute sunt diferite prin încălzire cu combustibili diferiţi.
Cantităţi egale de combustibili diferiţi cedează, prin ardere completă, cantităţi de căldură diferite.
Cantitatea de căldură, Q, cedată prin arderea completă a unui kilogram de combustibil se numeşte puterea calorică a acelui combustibil. Ea se notează cu q.


Prin arderea completă a unei mase m de combustibil, căldura cedată este:

Q = m • q

Unii combustibili sunt periculoşi. De exemplu, benzina se transformă uşor în vapori; aceştia se aprind uşor şi ard violent putând produce explozii.
Motoarele sunt folosite la tot pasul. Sunt de mărimi şi de forme diferite.
Cuvântul motor există, chiar în această formă, în original în limba latină şi înseamnă “care produce mişcare”. Aceasta arată că motorul este folosit tocmai pentru a se obţine energie cinetică.
Orice motor trebuie să primească energie pentru a funcţiona.
Procesul de dilatare puternică şi rapidă a gazelor încălzite este fenomenul fizic folosit în motoarele termice pentru efectuarea de lucru mecanic.
Există două categorii mari de motoare: motoare cu combustie externă, la care combustibilul este ars în afara motorului, şi motoare cu combustie internă, la care combustibilul este ars în interior. Motorul cu abur este cu combustie externă; motorul cu benzină şi motorul Diesel sunt cu combustie internă.
Primele motoare cu abur erau nişte maşinării enorme. În 1782, scoţianul James Watt a inventat maşina cu abur cu piston. Aburul era introdus la capătul unui cilindru, unde presiunea lui împingea un piston etanş. Pistonul era cuplat printr-o tijă cu o roată, iar mişcarea pistonului dintr-un capăt al cilindrului în celălalt producea învârtirea roţii. Când pistonul ajungea la un capăt, un sertăraş lăsa aburul să treacă în faţa pistonului pentru a-l împinge înapoi.
Locomotivele cu aburi folosesc un motor cu ardere externă. Combustibilul, cărbune-le, este ars sub un cazan care produce aburi prin fierberea apei. Aburii intră într-un cilindru şi împing un piston. Mişcarea de translaţie a pistonului este transformată în mişcare de rotaţie a roţilor locomotivei.
Motorul cu benzină, motorul de automobil obişnuit, se numeşte motor în patru timpi, deoarece pistoanele lui execută patru tipuri de mişcare denumite timpi. În primul timp, pistonul coboară. În partea superioară a cilindrului se deschide o supapă, lăsând să pătrundă un amestec de benzină şi aer. În al doilea timp, pistonul se ridică şi comprimă amestecul de benzină şi aer. Când amestecul este complet comprimat, este aprins printr-o mică scânteie electrică de la o bujie. Gazele în expansiune rezultate din ardere împing pistonul în jos. Acesta este cel de-al treilea timp. Pistonul urcă iar, împingând afară amestecul de gaze arse prin supapa de evacuare. Motorul Diesel funcţionează într-un mod similar, cu deosebirea că nu are bujii; comprimarea combustibilului, motorina, este sufucientă pentru a-l aprinde.
Unele avioane folosesc motoare cu ardere internă,cu turbină (o turbină este formată dintr-o roată cu pale solidară cu un ax; roata este acţionată de un jet de apă, abur sau gaze fierbinţi, proiectat pe pale). Combustibilul, petrol, este aprins şi arde chiar în interiorul motorului, în aerul comprimat de palele turbinei unui compresor. Gazele arse părăsesc motorul cu viteză mare, printre palele unei a doua turbine. Mărirea vitezei gazelor se datorează interacţiunii acestora cu pereţii motorului. Reacţiunea care apare asupra avionului determină înaintarea acestuia în sens opus jetului de gaze. Deoarece are turbine şi produce înaintarea avionului pe baza principiului acţiunii şi reacţiunii, acest motor este numit motor turboreactor.
Orice motor termic consumă combustibil prin ardere şi efectuează un lucru mecanic. El transformă energia internă în energie mecanică cinetică sau potenţială.
Dar nu toată căldura cedată prin ardere în cilindrul motorului automobilului este utilizată pentru efectuarea de lucru mecanic. O parte din căldura cedată de gazele care ard în cilindru este cedată aerului înconjurător.
Numai diferenţa dintre căldura primită prin arderea combustibilului şi cea pierdută în mediul înconjurător este folosită pentru efectuarea de lucru mecanic:

Q – Q = L
primită pierdută efectuat

Raportul dintre lucrul mecanic efectuat de motor şi căldura primită de acesta se numeşte randamentul motorului. Se notează cu litera grecească η (eta).

Energia utilă
Randamentul = ———————————
Energia totala consumată


Lef Qprimită – Qpierdută Qpierdută
η = ——— = ————————— = 1 – —————
Qprimită Qprimită Qprimită


Izvor rece T2

Q2
L=Q1-Q2


Q1


Izvor cald T1


Randamentul unui motor termic este un număr mai mic decât 1.

η < 1

Maşinile termice care folosesc forţa de presiune a aburului au randamentul destul de mic (sub 10%). Maşinile termice moderne se bazează pe forţe de presiune exercitate direct de gazele ce rezultă din arderea combustibilului. Randamentul lor este de câteva ori mai mare decât cel al maşinilor cu abur.