Noţiuni fundamentale: sistem, stare, proces, echilibru.

În cea de-a doua lecție de termodinamică vom introduce o serie de noțiuni și mărini de termodinamică.

Întâi, noțiunile de sistem, stare și echilibru termodinamic.

Sistemul termodinamic este un asamblu macroscopic de corpuri sau câmpuri ce schimbă energie între ele, deci în interiorul sistemului, sau cu exteriorul.

Starea termodinamică este un asamblu de parametri, numiți parametri de stare, ce descriu complet un sistem termodinamic la un moment dat.

Exemple de astfel de parametri sunt presiunea, volumul, temperatura, numărul de atom sau molecule.

Deci dacă specificăm valoarea acestor parametri la un moment dat pentru un sistem termodinamic, atunci am descris starea termodinamică a sistemului la acel moment.

Acești parametri de stare sunt clasificați în funcție de proprietățile lor în mai multe grupe.

Prima grupă conține noțiunile de parametri extensivi și intensivi.

Parametrii sunt extensivi dacă cresc cu cantitatea de substanță, un exemplu evident fiind volumul.

Dacă creștem cantitatea de substanță din sistemul nostru, bineînțeles că volumul va crește.

Parametrii se numesc intensivi dacă nu cresc cu cantitatea de substanță.

Acest tip de parametri intensivi descriu proprietățile locale ale sistemului,

exemplu fiind presiunea, temperatura, densitatea și, în mod evident, în general putem avea presiunea într-un anumit punct din sistem XYZ.

Presiunea poate lua o valoare locală.

Bineînțeles, ea poate fi și uniform distribuită în sistem și atunci valoarea presiunii este unică pentru tot sistemul,

dar, în general, ea poate lua o valoare pentru un anumit punct din sistem.

La fel și temperatura sau densitatea.

Pe când un parametru extensiv precum volumul nu poate lua o valoare locală,

deci, prin definiție, nu are sens să vorbim de volumul sistemului în punctul XYZ.

Deci, prin definiție, parametrii extensivi sunt globali, parametrii intensivi sunt locali.

O altă clasificare este următoarea.

Parametrii de poziție care descriu proprietățile spațiale ale sistemului, din nou, volumul fiind un exemplu evident,

și parametrii de forță care descriu interacțiile din sistem, presiunea fiind un exemplu,

ea de interacțiile din sistem, dar și temperatura, spre exemplu, este un parametru de forță.

Echilibrul termodinamic al unui sistem are loc atunci când toți parametrii intensivi de stare rămân constanți în timp.

Deci rămân invariabili în timp.

Există două proprietăți importante ale echilibrului termodinamic, ale stării de echilibru.

Prima fiind că la echilibru toate sistemele sunt omogene, adică parametrii intensivi care, după cum am văzut, sunt locali,

devin globali, în sensul că devin uniformi, valoarea lor este uniformă în tot sistemul.

Deci, din nou, stările de echilibru sunt și stări omogene, în care toți parametrii intensivi sunt uniformi în sistem.

De asemeni, orice sistem termodinamic, dacă este lăsat să evolueze liber, adică nu intervenim din exterior, va evolua către o stare de echilibru.

Să vorbim acum despre noțiunea de proces termodinamic.

Procesul termodinamic este o transformare de stare termodinamică în urma interacțiunii cu mediul exterior.

Deci, starea termodinamică, după cum am văzut, deschide sistemul la un moment dat T

și dacă intervenim din exterior cu o interacție, atunci această stare termodinamică se va modifica

dând nașterea unui proces, care este evoluția în timp a stărilor termodinamice ale sistemului.

Atât starea finală cât și starea inițială a unui proces sunt stări de echilibru, ce corespund condițiilor externe,

de dinainte și de după interacțiunea cu mediul exterior.

Stările intermediare sunt, totuși, în general, stări de neechilibru.

Dacă, totuși, procesul e suficient de lent încât aceste stări intermediare să fie aproximate cu stări de echilibru termodinamic,

atunci procesul se numește fasistatic.

Deci, din nou, procesele, în cazul cel mai general, au ca stări de echilibru numai stările inițiale și finale,

stările intermediare fiind de neechilibru.

Totuși, în cazul particular al proceselor foarte lente, atunci în fiecare etapă a procesului se va obține un echilibru

și, în acest caz, procesul se numește fasistatic.

Dacă procesul invers, ce pleacă din starea finală spre starea inițială, trece prin aceleași stări termodinamice intermediare,

procesul se numește reversibil.

Deci, schematic, dacă plecăm dintr-o stare inițială și mergem către o stare finală pe un anumit drum

și apoi facem procesul invers, plecăm din starea finală spre starea inițială și drumul se va întâmpla prin exact aceleași stări intermediare,

atunci cele două procese se numesc reversibile.

În general, nu este cazul, când plecăm din starea finală spre starea inițială, putem lua alt drum, adică altă secvență de stări intermediare,

caz în care procesul nu mai este reversibil.

Procesele fasistatice au proprietatea importantă că pot fi exprimate grafic prin diagrame de evoluție.

Un exemplu de astfel de diagramă de evoluție este așa numita diagramă Clapeyron,

în care procesele sunt prezentate schematic sau grafic într-un sistem de coordonate în care axa orizontală este volumul,

ce are unitate de măsură metru cub, și cea verticală este presiunea cu unitatea de măsură pasca.

Deci aceasta se numește o diagramă PV sau Clapeyron,

și în care procesele au anumită reprezentare grafică.

Fiecare punct de pe această diagramă reprezintă o stare.

Spre exemplu, dacă luăm un punct notat cu 1, aceasta va fi starea 1 a sistemului caracterizată de presiunea P1 și V1, și volumul V1, și așa mai departe.

Starea 2.

Din nou, foarte important de remarcat în aceste diagrame de evoluție este că, pentru a putea avea o astfel de reprezentare,

trebuie ca toate punctele de pe diagramă să corespundă unor stări de echilibru.

Pentru că altfel, dacă o stare de pe diagramă nu este o stare de echilibru, atunci nu putem defini o serie de parametri,

precum presiunea sau temperatura.

Presiunea și temperatura stărilor de neechilibru nu pot fi definite, cea puțin nu în sensul clasic termodinamic despre care vorbim acum.

Deci este esențial ca procesele să fie fasistatice pentru a avea astfel de diagrame de evoluție.

Ultimul tip de noțiune pe care îl introducem este contactul sistemelor termodinamice.

Dacă două sisteme termodinamice se află inițial în echilibru termodinamic și sunt puse în contact,

atunci ele vor evolua spre un nou echilibru prin egalizarea parametrilor intensivi,

dar anume acei parametri intensivi pe care contactul, acest contact dintre sisteme, îi permite.

Spre exemplu, putem avea un așa numit contact mecanic a două sisteme termodinamici.

Spre exemplu, dacă avem două gaze separate de un piston adiabatic și mobil, adiabatic înseamnă că nu permite schimbul de căldură.

Dar este adiabatic, asta înseamnă că nu permite schimbul de căldură.

Acest contact se numește contact mecanic pentru că permite egalizarea doar a parametrilor intensivi de tip mecanic și anume presiunea.

Presiunea e legată de forță și deci acest contact mecanic va permite egalizarea presiunilor, gazelor din cele două compartimente.

Un alt exemplu de contact este contactul termic.

Contactul termic are loc în cazul pistonului nostru dacă el este diatermic, adică permite schimbul de căldură.

Deci schimbul de căldură are loc, dar este fixat.

Deci în acest caz avem aceeași încintă, separată de un piston, în două compartimente A și B, dar acest piston este fixat și permite schimbul de căldură.

Deci acesta este un contact termic de această dată.

Datorită proprietăților contactului, adică a pistonului, parametrii intensivi ce se vor egaliza între gazele din cele două compartimente vor fi temperaturile.

Deci, în final, temperatura gazului din compartimentul A va fi egală cu cea din compartimentul B.

Concluzia, două sisteme aflate în contact vor tinde către o stare de echilibru, dar acea stare de echilibru va fi caracterizată prin egalizarea parametrilor intensivi pe care contactul îi permite, nu și a celorlalți.