Noțiuni introductive despre starea termică, temperatura și schimburile de căldură.
Temperatura este mărimea fizică ce măsoară starea de agitație termică a particulelor unui corp, adică energia cinetică medie a moleculelor. Nu se confundă cu căldura: temperatura este o mărime de stare a corpului, în timp ce căldura este energie în tranzit de la un corp la altul.
Două corpuri puse în contact ajung, după un timp, la aceeași temperatură: se spune că au atins echilibrul termic. Corpul mai cald cedează energie, cel mai rece primește, iar transferul se oprește când temperaturile devin egale. Faptul că două corpuri aflate fiecare în echilibru termic cu un al treilea sunt în echilibru între ele constituie principiul zero al termodinamicii și este chiar temeiul folosirii termometrului.
Scările de temperatură cerute la examen:
Relația de transformare: T = t + 273,15, în probleme rotunjită la T = t + 273.
De reținut exact: diviziunea celor două scări este egală, deci o variație de 1 grad Celsius este identică cu o variație de 1 K. Din acest motiv variațiile de temperatură se pot folosi indiferent de scară, dar în toate formulele gazelor trebuie folosită temperatura absolută, în kelvini. Se scrie 300 K, nu 300 grade Kelvin — kelvinul nu poartă simbolul de grad.
Zero absolut (0 K, adică -273,15 grade Celsius) este o limită care nu poate fi atinsă practic.
La încălzire, agitația termică crește, distanțele medii dintre particule cresc și corpurile se dilată; la răcire se contractă.
Pentru solide se disting trei forme de dilatare:
Relațiile dintre coeficienți (β superficial = 2α, γ volumic = 3α) se cer explicit la itemi.
Lichidele nu au formă proprie, deci prezintă doar dilatare volumică: ΔV = γ·V0·Δt, cu γ mult mai mare decât la solide. La încălzirea unui lichid într-un vas trebuie ținut cont că se dilată și vasul, de unde noțiunea de dilatare aparentă, mai mică decât cea reală.
Aplicații practice și explicații cerute la examen: rosturile dintre șinele de cale ferată și dintre plăcile de beton, forma curbată a conductelor termice, lamela bimetalică din termostate (două metale cu coeficienți diferiți lipite, care se curbează la încălzire), funcționarea termometrului cu lichid.
Anomalia apei este excepția obligatorie: între 0 și 4 grade Celsius apa se contractă la încălzire, iar densitatea ei este maximă la 4 grade Celsius. Consecința este că gheața plutește și că apa îngheață dinspre suprafață spre adânc, lăsând viața acvatică să supraviețuiască sub gheață.
O capcană frecventă: la încălzirea unei plăci cu un orificiu, orificiul se mărește, nu se micșorează — se dilată la fel ca materialul din jur.
Căldura Q este energia transferată între corpuri din cauza diferenței de temperatură. Se măsoară în joule — este energie, nu o substanță care ar trece de la un corp la altul, cum credeau fizicienii în secolul al XVIII-lea.
Cantitatea de căldură necesară pentru a modifica temperatura unui corp:
Q = m·c·Δt
Apa are o căldură specifică foarte mare, aproximativ 4185 J/(kg·K). De aceea marea se încălzește și se răcește lent, apa este folosită ca agent de răcire, iar zonele de litoral au climă mai blândă.
Calorimetria studiază schimburile de căldură. Ecuația calorimetrică: într-un sistem izolat termic, căldura cedată de corpurile calde este egală cu căldura primită de corpurile reci:
Q_cedată = Q_primită
La aplicare se folosește pentru fiecare corp Δt luat astfel încât ambii termeni să fie pozitivi: pentru corpul cald, t_inițial - t_echilibru; pentru corpul rece, t_echilibru - t_inițial.
Atenție la un rezultat contraintuitiv: temperatura de echilibru nu este media aritmetică a temperaturilor inițiale decât dacă masele și căldurile specifice sunt egale. Corpul cu m·c mai mare trage temperatura de echilibru spre valoarea lui inițială.
La transformările de stare, substanța primește sau cedează energie fără ca temperatura să se schimbe. Toată energia este folosită pentru ruperea sau refacerea legăturilor dintre particule.
Căldura latentă specifică λ este energia necesară pentru a transforma complet 1 kg de substanță, la temperatura de transformare:
Q = m·λ, cu λ măsurat în J/kg
Se rețin două valori pentru apă: căldura latentă specifică de topire, aproximativ 3,34·10^5 J/kg, și cea de vaporizare, aproximativ 2,26·10^6 J/kg. A doua este de aproape șapte ori mai mare — de aceea aburul produce arsuri mult mai grave decât apa la 100 de grade Celsius.
Transformările și denumirile lor, cu sensul energetic:
Topirea, vaporizarea și sublimarea sunt procese care absorb energie; celelalte trei o cedează.
Deosebirea dintre evaporare și fierbere se cere frecvent: evaporarea are loc numai la suprafața lichidului, la orice temperatură; fierberea are loc în tot volumul, doar la temperatura de fierbere, care depinde de presiune. La munte, unde presiunea e mai mică, apa fierbe sub 100 de grade Celsius, iar mâncarea se face mai greu.
În diagramele temperatură–timp, palierele orizontale corespund exact transformărilor de stare: se primește căldură, dar temperatura stagnează.
Energia internă U a unui corp este suma energiilor cinetice ale mișcării dezordonate a particulelor și a energiilor potențiale de interacțiune dintre ele. Ea nu include energia cinetică a corpului ca întreg și nici energia lui potențială în câmp gravitațional: o minge care zboară nu are energie internă mai mare doar pentru că se mișcă.
Energia internă este o mărime de stare: depinde numai de starea actuală a sistemului (temperatură, volum, cantitate de substanță), nu de drumul prin care sistemul a ajuns acolo. Căldura și lucrul mecanic sunt, dimpotrivă, mărimi de proces — ele descriu transferul de energie, nu o proprietate a corpului. De aceea nu are sens să spui că un corp conține o anumită cantitate de căldură; corpul conține energie internă.
Energia internă a unui sistem poate fi modificată în două moduri: prin schimb de căldură și prin efectuarea de lucru mecanic (comprimarea unui gaz, frecarea a două palme).
Principiul I al termodinamicii exprimă conservarea energiei într-un sistem termodinamic:
ΔU = Q - L
unde Q este căldura primită de sistem, iar L este lucrul mecanic efectuat de sistem asupra mediului. Convenția de semne trebuie ținută minte exact: Q > 0 dacă sistemul primește căldură, L > 0 dacă sistemul se destinde și efectuează lucru asupra exteriorului.
Consecința fundamentală: nu poate exista un perpetuum mobile de speța I, adică o mașină care ar produce lucru mecanic la nesfârșit fără să primească energie. Energia nu se creează, ci doar se transformă și se transferă.