Lucrul mecanic si caldura

Lucrul mecanic si caldura

Lucrul mecanic si caldura sunt forme prin care are loc schimbul de energie, fiind parametri de proces, avand sens doar in legatura cu desfasurarea unui proces de schimb de energie; nu se poate vorbi de lucrul mecanic sau cantitatea de caldura ale unui corp intr-o anumita stare de echilibru termodinamic. Ca urmare, nici lucrul mecanic si nici caldura nu sunt parametri de stare.

Prin conventie, caldura primita de catre corp are semn pozitiv, iar caldura cedata este negativa; lucrul mecanic produs este pozitiv, iar lucrul mecanic consumat este negativ.

1. Lucrul mecanic corespunzator variatiei de volum

Este lucrul mecanic efectuat sau consumat de catre corpurile in stare gazoasa sub actiunea unor forte de presiune.

Sa consideram un cilindru, inchis de un piston mobil (fig. 1.3a), in interiorul caruia se gaseste gaz. Intr-un interval de timp infinit mic deplasam pistonul pe distanta dx; lucrul mecanic elementar corespunzator deplasarii pistonului va fi:

in care F este forta ce actioneaza asupra pistonului.

Variatia de volum a gazului va fi:

unde A este aria pistonului.

Din cele doua relatii rezuta:

relatie care reprezinta lucrul mecanic elementar corespunzator variatiei de volum.

Reprezentand procesul in diagrama presiune - volum (p - V, fig. 1.3b), lucrul mecanic corespunzator variatiei de volum la trecerea din starea (1) in starea (2) va fi:

si este proportional cu aria suprafetei delimitate de curba ce reprezinta procesul si de axa orizontala a sistemului de coordonate (a-1-2-b).

Folosind marimile specifice (l = L/m, v = V/m, in care m este masa gazului), lucrul mecanic corespunzator variatiei de volum va fi:

Pentru calculul lucrului mecanic corespunzator variatiei de volum este necesar sa se cunoasca legea de variatie a presiunii.

2. Lucrul mecanic de deplasare (dislocare)

Reprezinta lucrul mecanic necesar deplasarii unui volum de fluid printr-o conducta, dintr-o pozitie data pana in pozitia imediat urmatoare, in conditii de presiune constanta.

Consideram o conducta prin care circula un gaz (fig. 1.4); sectiunile (I) si (II) delimiteaza o portiune ce contine o anumita cantitate de fluid, care se deplaseaza pe distanta (x), astfel incat (I) ajunge in (II) si (II) ajunge in (III). Lucrul mecanic pentru deplasarea gazului va fi:

unde V este volumul de gaz, iar A este aria sectiunii conductei.

Tinand cont ca p = F/A, rezulta lucrul mecanic de deplasare:

sau .

Diferentiind relatia lucrului mecanic de deplasare obtinem:

Lucrul mecanic de deplasare este cedat fiecarui volum de fluid de catre fluidul din conducta aflat in spatele sau, ce actioneaza ca un piston; volumul considerat de fluid consuma acest lucru mecanic pentru deplasarea fluidului din fata sa. In cazul intrarii fluidului intr-un rezervor (sau masina) la presiune constanta, lucrul mecanic de deplasare se adauga la energia fluidului din rezervor.

3. Lucrul mecanic tehnic

Lucrul mecanic tehnic (denumit si lucru mecanic util exterior) este lucrul mecanic produs de catre o masina termica; masina termica transforma caldura fluidului de lucru in lucru mecanic.

4. Caldura

Caldura reprezinta o forma de transfer de energie intre corpuri cu stari termice diferite. In general schimbul de energie sub forma de caldura este insotit de modificarea temperaturii corpurilor (caldura sensibila); caldura latenta duce la schimbarea starii de agregare a corpurilor.

Cantitatea de caldura sensibila schimbata de un corp cu mediul exterior intr-o transformare in care temperatura acestuia sufera o variatie infinit mica este data de relatia:

in care m este masa corpului kg , c este caldura specifica J/kg K , iar dT este variatia de temperatura K

Cantitatea de caldura schimbata intr-un proces termodinamic va fi:

sau

Cantitatea de caldura primita este pozitiva deoarece conduce la cresterea temperaturii corpului (dt>0), iar cantitatea de caldura cedata este negativa, ducand la scaderea temperaturii corpului.

Caldura specifica a unui fluid reprezinta cantitatea de caldura necesara cresterii cu un grad a temperaturii unui kilogram de substanta sau a unui kilomol . Valoarea caldurii specifice a gazelor depinde de modul in care se desfasoara procesul de incalzite sau racire; astfel caldura specifica este mai mare pentru procesele ce au loc la presiune constanta decat pentru procesele ce au loc la volum constant (c_p > c_v). Raportul celor doua calduri specifice se numeste exponent adiabatic k:

Pentru gaze, caldura specifica variaza cu temperatura (fig. 1.5); in mod obisnuit se utilizeaza relatii polinomiale pentru a exprima dependenta de temperatura a caldurii specifice:

unde t este temperatura, iar a, b, d sunt coeficienti care depind de natura gazului si de intervalul de temperatura pentru care se dezvolta calculele.