Termodinamica se ocupă cu studiul macroscopic al fenomenelor termice şi mecanice, adică al fenomenelor care au loc cu schimb de căldură şi efectuare de lucru mecanic. Numele este derivat din limba greacă (θέρμη therme = căldură, δύναμις dynamis = putere); în germană mai poartă şi numele de Wärmelehre (teoria căldurii). Termodinamica reprezintă în zilele noastre una din cele mai bine structurate 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. Baza teoretică a termodinamicii o constituie un număr restrâns de principii, care sunt generalizări şi abstractizări ale unor fapte experimentale. Caracterul general al acestor principii, care nu conţin ipoteze referitor la natura forţelor implicate sau la structura microscopică a sistemelor studiate, face ca metodele termodinamicii să fie aplicabile unei clase largi de fenomene. Câteva exemple, alese oarecum la întâmplare: proprietăţile fluidelor şi ale soluţiilor, echilibrul stărilor de agregare, polarizarea dielectrică şi magnetizarea, radiaţia termică. Aplicaţiile practice sunt şi ele numeroase şi variate, de la frigider şi încălzire centrală la energie regenerabilă şi prognoză meteorologică.
O abordare alternativă a fenomenelor termodinamice o reprezintă mecanica statistică. Pornind de la structura microscopică (molecule şi atomi), luând în considerare interacţiunile (forţele) dintre aceste componente şi folosind metode statistice (aplicabile sistemelor alcătuite dintr-un număr foarte mare de componente), mecanica statistică poate, prin intermediul unor calcule laborioase, să deducă (şi prin aceasta să confirme) rezultatele obţinute de termodinamică pe cale fenomenologică.
Stări şi transformări
Pentru orice disciplină a fizicii, obiectul de studiu este un sistem. În contextul termodinamicii acesta va fi un sistem termodinamic: o porţiune finită, precis delimitată, din realitatea materială, care poate include atât substanţă cât şi radiaţie. Delimitarea conceptuală a unui sistem de lumea înconjurătoare nu exclude, ci în general presupune, interacţiunea acestor două elemente; în cazul termodinamicii, această interacţiune se manifestă sub forma de fenomene termice şi mecanice.
Calitativ, se numeşte stare a unui sistem (la un moment dat) totalitatea proprietăţilor lui (la acel moment). Pentru precizarea cantitativă a acestei noţiuni se recurge la valorile pe care le au diferite mărimi fizice în starea respectivă. Între mărimile care exprimă proprietăţi ale unui sistem există relaţii cantitative bine determinate; există însă un număr limitat de mărimi fizice independente care caracterizează complet starea sa, alte proprietăţi ale sistemului putând fi derivate din acestea. Alegerea mărimilor care să servească drept variabile independente este un pas preliminar necesar în studiul oricărui sistem.
O stare în care proprietăţile sistemului (termodinamic) nu variază în timp se numeşte stare de echilibru (termodinamic).
[modificare]
Principiul zero al termodinamicii
Pentru detalii, vezi: Principiul zero al termodinamicii.
Pentru ca un sistem să se afle în echilibru termodinamic este necesar (dar în general nu şi suficient) ca lumea înconjurătoare cu care se află în contact să ofere condiţii neschimbate în timp. Următoarea constatare, de natură experimentală, este numită uneori principiul zero al termodinamicii:
Un sistem termodinamic situat în condiţii externe invariabile în timp va atinge, după un timp suficient de lung, o stare de echilibru termodinamic.
Se numeşte transformare orice schimbare a stării unui sistem. Un interes teoretic deosebit îl prezintă transformările care conduc de la o stare iniţială de echilibru la o stare finală de echilibru, trecând printr-o înşiruire continuă de stări intermediare de echilibru. Întrucât orice schimbare de stare se petrece într-un timp finit, astfel de transformări nu pot fi realizate, riguros, în realitate. Dar, conform principiului zero al termodinamicii, dacă transformarea se produce suficient de lent, ea se poate apropia oricât de mult de acest model ideal. Astfel de transformări se numesc cvasistatice, pentru a indica faptul că ele sunt o înşiruire de stări de echilibru; dacă este posibilă transformarea în care aceeaşi înşiruire de stări să fie parcursă în sens invers ele se numesc reversibile. O transformare se numeşte ciclică dacă starea finală coincide cu starea iniţială.
Principiul întâi al termodinamicii
Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822–1888) a dat formularea clasică a principiului întâi al termodinamicii şi a reformulat principiul al doilea pe baza noţiunii de entropie.
Pentru detalii, vezi: Principiul întâi al termodinamicii.
[modificare]
Energie internă
O serie de experimente esenţiale pentru fundamentarea teoretică a termodinamicii au fost efectuate asupra unor sisteme separate de lumea înconjurătoare printr-un înveliş adiabatic. Un asemenea înveliş are însuşirea că, odată aplicat unui sistem aflat în echilibru termodinamic, starea acestui sistem poate fi schimbată numai prin efectuarea de lucru mecanic de către forţe acţionând din exterior asupra sistemului. O transformare a unui sistem închis în înveliş adiabatic se numeşte transformare adiabatică. Sinteza rezultatelor experimentelor amintite constituie formularea clasică a principiului întâi al termodinamicii:
În orice transformare adiabatică a unui sistem, lucrul mecanic efectuat de forţele exterioare depinde numai de starea iniţială şi de starea finală a sistemului.
Principiul al doilea al termodinamicii
Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796–1832) a enunţat teorema lui Carnot, una din formulările primare ale principiului al doilea al termodinamicii.
Pentru detalii, vezi: Principiul al doilea al termodinamicii.
Studiul schimbului de căldură între sisteme s-a dezvoltat din necesitatea practică de a îmbunătăţi funcţionarea maşinilor termice. Din punct de vedere teoretic, o maşină termică este un sistem care, într-o transformare ciclică, primeşte căldură şi cedează lucru mecanic. În cursul transformării, maşina termică schimbă căldură cu un număr de sisteme numite surse de căldură, care se presupune că sunt termostate având temperaturi cunoscute. Transformarea se numeşte monotermă, bitermă sau politermă, după numărul de surse de căldură; sunt imaginabile şi transformări în care se schimbă căldură cu o infinitate de surse de căldură ale căror temperaturi variază continuu.
Formularea primară a principiului al doilea al termodinamicii este echivalentă cu constatarea experimentală că nu poate exista o maşină termică cu o singură sursă de căldură:
Într-o transformare ciclică monotermă, independent de natura sistemului, cantitatea de căldură primită de sistem este negativă sau nulă; ea este nulă dacă şi numai dacă transformarea este reversibilă.
Cazul unei transformări ciclice biterme reversibile poate fi redus la precedentul printr-un artificiu: sistemului considerat A i se adaugă un al doilea sistem B, ambele sisteme fiind supuse unor transformări ciclice reversibile repetate care sunt ajustate astfel ca sistemul rezultat prin reunirea celor două subsisteme să sufere o transformare ciclică monotermă.Concluzia este o formulare modificată a principiului al doilea al termodinamicii:
Într-o transformare ciclică bitermă reversibilă, raportul cantităţilor de căldură schimbate de sistem cu cele două termostate nu depinde de natura sistemului; el depinde numai de temperaturile celor două termostate.
Producerea energiei electrice - energia electrica
Energia electrica reprezinta capacitatea de actiune a unui sistem fizico-chimic.
Dezavantajul pe care il prezinta energia electrica in comparatie cu alte forme ale energiei consta in aceea ca nu poate fi inmagazinata. Energia electrica trebuie produsa in momentul cand este ceruta de consumatori.
Producerea energiei electrice prin transformarea energiei chimice a combustibililor se realizeaza in centrale electrice de termoficare sau centrale termoelectrice.
Producerea energiei electrice prin transformarea energiei potentiale sau cinetice a apelor se realizeaza in centrale hidroelectrice care produc energie electrica pe cale hidrautica. Aceasta sursa de nergie este economica si inepuizabila.
Energia electrica este transportata la distanta printr-un sistem de retele electrice, la diverse tensiuni: 110 kV, 220 kV, 400 kV si chiar peste 800 kV. Transportul energiei electrice se face fie prin linii aeriene, fie prin cabluri subterane.La tensiunea de 110 kV, stalpii de sustinere au peste 25 m inaltime, fiind plasati la intervale de circa 300 m; la 220 kV ei au inaltimea de peste 35 m, intervalul fiind circa 350m; la 400 kV, inaltimea poate ajunge la 50 m, distanta intre ei fiind de peste 350 m. In anumite situatii, cum sunt de exemplu trecerile peste ape, ei pot atinge inaltimi mai mari.
Cablurile subterane sunt folosite in localitatile urbane si acolo unde costul suplimentar este justificat de alte consideratii, cum ar fi cel estetic de pilda. Un cablu subteran de inalta tensiune necesita instalatii de racire si instalatii suplimentare pentru evitarea pierderilor in pamant. Din acest motiv el este mult mai scump decat o linie aeriana.Liniile aeriene sunt confectionate din conductoare de cupru, aluminiu cu miez de otel si cadmiu-cupru. Conductoarele din cupru sunt folosite la toate tensiunile; pentru deschideri mari se utilizeaza cele din cadmiu-cupru care au o mare rezistenta mecanica. Conductoarele din aluminiu cu miez de otel sunt folosite in special in cazul tensiunilor inalte. Exista tendinta ca aluminiul sa inlocuiasca cuprul, datorita costului sau mai scazut.
Conductibilitatea electrica variaza cu temperatura pentru cele mai multe dintre materiale. In general pentru conductoare ea descreste la cresterea temperaturii. Exceptie fac carbunele si electrolitii, pentru care, la fel ca la majoritatea nemetalelor, conductibilitatea creste la ridicarea temperaturii.In cazul cablurilor subterane sunt necesare straturi de izolatie si protectie. Dintre materialele izolatoare remarcam: hartia impregnata cu ulei, cauciucul natural si sintetic, materialele plastice cum sunt policlorura de vinil sau polietilena (utilizata de obicei in locul cauciucului). Cablurile izolate cu hartie pot fi utilizate pana la 400 kV, in timp ce cablurile izolate cu cauciuc sau materiale plastice, numai pana la 11 kV.
Protectia unui cablu cu izolatie de hartie impregnata este mai intai realizata cu un strat de plumb sau aluminiu pentru evitarea umezelii si apoi cu un strat de bitum armat sau fara armatura metalica, pentru evitarea coroziunii si a distrugerii mecanice. Pentru cablurile izolate cu cauciuc sau materiale plastice protectia este determinata de necesitatile de serviciu.
Un semiconductor difera de alte materiale electrice conductoare prin faptul ca factorii aditionali pot influenta trecerea curentului prin el. Conductibilitatea sa electrica se situeaza intre cea a unui conductor si cea a unui izolator si creste la ridicarea temperaturii.
Proprietatile sale electrice sunt rezultatul structurii sale cristaline si a prezentei impuritatilor. Majoritatea semiconductoarelor, in stare pura, sunt izolatoare, dar introducerea impuritatilor creeaza un surplus de electroni sau o lipsa de elctroni, fiecare din aceste stari permitand trecerea curentului electric. Semiconductoarele utilizate in mod obisnuit sunt germaniul, siliciul, seleniul, oxidul de cupru, sulfura de plumb, arseniura de galiu, fosfura de galiu si carbura de siliciu.
Curentul alternativ
Curentul alternativ este un curent electric a cărui direcţie se schimbă periodic, spre deosebire de curentul continuu, al cărui sens este unidirecţional. Forma de undă uzuală a curentului alternativ este sinusoidală.
Curentul alternativ apare ca urmare a generării unei tensiuni electrice alternative în cadrul unui circuit electric prin inducţie electromagnetică. Forma alternativă (sinusoidală) a tensiunii/curentului este modul uzual de producere, transport şi distribuţie a energiei electrice.
Valoarea instantanee a curentului alternativ are următoarea formulă:
În mod analog, tensiunea alternativă u are următoarea formulă:
Deoarece în anumite reţele, în special de înaltă tensiune, neutrul nu este accesibil (sau chiar nu există), liniile trifazate sunt identificate după tensiunea de linie, adică tensiunea dintre oricare două faze. Aceasta este de mai mare decât tensiunea de fază.În cazul reţelelor de distribuţie casnică din România tensiunea de linie este 400V iar cea de fază este de 230V curent alternativ
Curentul (alternativ) trifazic este un curent schimbător format prin înlănţuirea/împletirea a trei curenţi variabili ale căror tensiuni sunt, permanent, reciproc defazate cu câte 120°(2П/3). Caracteristic pentru sistemul trifazic (împletirea celor trei curenţi) este permanenta sumă "zero" a lor, fapt ce dă posibilitatea folosirii pentru transportul energiei electrice trifazice (trifazate) a doar trei conductori, numiţi conductori de fază. Există tehnic şi sistem de transport trifazic cu patru conductori în care cel de al patrulea conductor numit "conductor de nul" sau "neutru" nu este parcurs de curent (are tensiune electrică zero). Acest 4conductori-sistem se numeşte uzual: sistem trifazic "în stea". Specific pentru el este că tensiunea efectivă între oricare dintre conductorii de fază şi cel neutru (U.deF.) este mai mică decât tensiunea electrică efectivă (U.deL.) dintre cei trei (luaţi evident în mod pereche). Această relaţie se citeşte uzual: tensiunea de fază (UdeF) este mai mică decât tensiunea de linie (UdeL). În sistemul casnic trifazic din România UdeF=230V iar UdeL=400V, iar conductorii de fază sînt denumiţi R, S şi T şi (unde există) cel neutru N.
Motorul electric
Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator electric. Nu există diferenţe de principiu semnificative între cele două tipuri de maşini electrice, acelaşi dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situaţii diferite.
Principiul de funcţionare
Majoritatea motoarelor electrice funcţionează pe baza forţelor electromagnetice ce acţionează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic. Există însă şi motoare electrostatice construite pe baza forţei Coulomb şi motoare piezoelectrice.
Motorul de curent alternativ
Motoarele de curent alternativ funcţionează pe baza principiului câmpului magnetic învârtitor. Acest principiu a fost identificat de Nikola Tesla în 1882. În anul următor a proiectat un motor de inducţie bifazat, punând bazele maşinilor electrice ce funcţionează pe baza câmpului magnetic învârtitor. Ulterior, sisteme de transmisie prin curent alternativ au fost folosite la generarea şi transmisia eficientă la distanţă a energiei electrice, marcând cea de-a doua Revoluţie industrială. Un alt punct important în istoria motorului de curent alternativ a fost inventarea de către Michael von Dolivo-Dobrowlsky în anul 1890 a rotorului în colivie de veveriţă.
Motorul de inducţie trifazat
Motorul de inducţie trifazat (sau motorul asincron trifazat) este cel mai folosit motor electric în acţionările electrice de puteri medii şi mari. Statorul motorului de inducţie este format din armătura feromagnetică statorică pe care este plasată înfăşurarea trifazată statorică necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Rotorul este format din armătura feromagnetică rotorică în care este plasată înfăşurarea rotorică. După tipul înfăşurării rotorice, rotoarele pot fi de tipul:
rotor în colivie de veveriţă (în scurtcircuit) - înfăşurarea rotorică este realizată din bare de aluminiu sau -mai rar- cupru scurtcircuitate la capete de două inele transversale.
rotor bobinat - capetele înfăşurării trifazate plasate în rotor sunt conectate prin interiorul axului la 3 inele. Accesul la inele dinspre cutia cu borne se face prin intermediul a 3 perii.
Prin intermediul inducţiei electromagnetice câmpul magnetic învârtitor va induce în înfăşurarea rotorică o tensiune. Această tensiune creează un curent electric prin înfăşurare şi asupra acestei înfăşurări acţionează o forţă electromagnetică ce pune rotorul în mişcare în sensul câmpului magnetic învârtitor. Motorul se numeşte asincron pentru că turaţia rotorului este întotdeauna mai mică decât turaţia câmpului magnetic învârtitor, denumită şi turaţie de sincronism. Dacă turaţia rotorului ar fi egală cu turaţia de sincronism atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inducţie electromagnetică, nu s-ar mai induce curenţi în rotor şi motorul nu ar mai dezvolta cuplu.
Motorul de inducţie monofazat
În cazul în care sistemul trifazat de tensiuni nu este accesibil, cum este în aplicaţiile casnice, se poate folosi un motor de inducţie monofazat. Curentul electric monofazat nu poate produce câmp magnetic învârtitor ci produce câmp magnetic pulsatoriu (fix în spaţiu şi variabil în timp). Câmpul magnetic pulsatoriu nu poate porni rotorul, însă dacă acesta se roteşte într-un sens, atunci asupra lui va acţiona un cuplu în sensul său de rotaţie. Problema principală o constituie deci, obţinerea unui câmp magnetic învârtitor la pornirea motorului şi aceasta se realizează în mai multe moduri.
Prin ataşarea pe statorul maşinii la un unghi de 90° a unei faze auxiliare înseriată cu un condensator se poate obţine un sistem bifazat de curenţi ce produce un câmp magnetic învârtitor. După pornirea motorului se deconectează faza auxiliară printr-un întrerupător centrifugal. Sensul de rotaţie al motorului se poate schimba prin mutarea condensatorului din faza auxiliară în faza principală.
În locul fazei auxiliare se poate folosi o spiră în scurtcircuit plasată pe o parte din polul statoric pentru obţinerea câmpului învârtitor. Curentul electric indus în spiră se va opune schimbării fluxului magnetic din înfăşurare, astfel încât amplitudinea câmpului magnetic se deplasează pe suprafaţa polului creând câmpul magnetic învârtitor.
