Termotehnică și echipamente termice

Termodinamica este un capitol al fizicii, deci este o ştiinţă a naturii. Ea se ocupă cu studiul fenomenelor în care este implicată energia termică. Energia termică este energia asociată mişcării haotice a particulelor microscopice din care este alcătuită materia (atomi, molecule), cunoscută sub denumirea de mişcare browniană. Termodinamica foloseşte mărimile fizice definite în mecanica punctului material, a rigidului şi a fluidelor: lungime, masă, timp, viteză, presiune, debit, forţă, lucru mecanic, energie cinetică şi potenţială etc. Sunt utilizate de asemenea legile generale ale fizicii cum ar fi legile de conservare: legea conservării masei → ecuaţia de continuitate, legea conservării energiei → principiul I al termodinamicii. Sunt însă definite şi unele noţiuni noi, specifice disciplinei. Termodinamicii îi datorăm una dintre cele şapte mărimi fizice fundamentale: temperatura. Fără îndoială cea mai spectaculoasă mărime fizică definită în cadrul termodinamicii este entropia, mărime care stabileşte o ierarhie a energiilor în funcţie de nivelul de “calitate” a acestora. Energia mecanică, cinetică sau potenţială, energia electrică sau magnetică sunt “energii superioare”, “ordonate”, ele nu au nevoie de definirea unui nivel de calitate. Energia termică este “inferioară”, este „dezordonată”, nivelul ei de inferioritate sau de dezordine fiind cu atât mai mare cu temperatura este mai scăzută. Noţiunile de “cald” şi de “frig” le percepem în mod uzual prin senzaţiile pe care ni le furnizează organismul în viaţa noastră de mamifere, adică animale cu sânge cald, dotate cu un mecanism de reglare a temperaturii corpului care trebuie menţinută în jurul valorii de 36,5 0 C. Aceste senzaţii au un caracter profund subiectiv. Studiul termodinamicii ne ajută să înţelegem în mod obiectiv cum se desfăşoară fenomenele termice.

Termodinamica aplicată sau termotehnica este o ştiinţă inginerească care se ocupă cu studiul maşinilor şi instalaţiilor în a căror funcţionare fenomenele termice joacă un rol preponderent. Exemple: motoare cu ardere internă, turbine cu gaze sau cu abur, cazane de abur sau de apă fierbinte, compresoare de diverse tipuri, instalaţii de termoficare, instalaţii de climatizare, instalaţii de uscare, maşini frigorifice, etc. Domeniul de aplicaţii a termodinamicii se extinde şi în afara maşinilor şi instalaţiilor care sunt prin excelenţă incluse în categoria “termice”. Orice maşină, aparat sau instalaţie funcţionează cu randament subunitar, adică are “pierderi”. Pierderea de energie este în contradicţie cu legea conservării energiei, deci energia nu se pierde, ci se transformă în „energie inferioară”, adică în căldură. Această căldură trebuie evacuată în mediul exterior pentru a se evita creşterea temperaturii până la valori prea mari. Exemple: motoare sau generatoare electrice, calculatoare electronice

Ştiinţa termodinamicii are o istorie interesantă. Ea s-a dezvoltat după ce au apărut primele aplicaţii, din nevoia de a le îmbunătăţi acestora performanţele. Nevoia de energie mecanică a condus la apariţia maşinii cu abur (James Watt – 1765). Aceste maşini au fost concepute şi realizate pe baza intuiţiei şi a simţului tehnic deosebit al inventatorilor. Ele consumau mult combustibil şi produceau puţin lucru mecanic. În anul 1824 Sadi Carnot publică lucrarea “Reflexii asupra puterii motrice a focului şi a maşinilor capabile să dezvolte această putere”. Această lucrare este considerată “Certificatul de naştere a termodinamicii”.

Studiul acestei discipline face parte din pregătirea de bază a oricărui inginer, indiferent de specialitate. A studiat-o şi fizicianul Arnold Sommerfield care a ajuns la următoarea concluzie: “Termodinamica este un subiect amuzant. Prima dată când o parcurgi nu înţelegi nimic. A doua oară când o parcurgi, ţi se pare că înţelegi, cu excepţia unuia sau a două mici detalii. A treia oară când o parcurgi, îţi dai seama că de fapt nu o înţelegi, dat eşti atât de familiarizat cu ea încât lucrul acesta nu te mai deranjează.”

1. Bazele termodinamicii

1.1. Sisteme termodinamice

Noţiunea de sistem termodinamic presupune o porţiune de materie (indiferent dacă este gaz, lichid, solid, sau amestecuri de diferite corpuri) delimitată de pereţi reali sau imaginari. Tot ce este în afara sistemului termodinamic se numeşte mediu exterior. O dată definit care este sitemul şi care este mediul exterior se pot face diverse consideraţii privind evoluţia sistemului precum şi schimburi energetice sau de substanţă între sistem şi mediul exterior. Dacă sistemul nu schimbă substanţă cu mediul exterior se numeşte închis, în caz contrar este deschis. Dacă nu schimbă căldură cu mediul exterior se numeşte adiabatic. Sistemul care nu are nici un fel de interacţiune cu mediul exterior este izolat. Evident, în Univers nu există corpuri izolate. Sistemul termodinamic izolat este una din numeroasele noţiuni abstracte, idealizate, de care termodinamica are nevoie. Dacă ne imaginăm un termos închis etanş şi cu o izolaţie termică perfectă, putem spune că nu este un sistem izolat deoarece interacţionează cu pământul prin intermediul câmpului gravitaţional. Într-un lichid aflat în termosul nostru repartiţia presiunii va respecta legile hidrostaticii. Într-un amestec de gaze aflat în termosul nostru se va produce o stratificare după densitate. Uneori putem să neglijăm aceste efecte ale câmpului gravitaţional şi să considerăm sistemul ca fiind izolat. Dacă printr-un sistem termodinamic deschis circulă un fluid cu scopul expres de a transmite căldură, acel fluid se numeşte agent termic (Exemplu: apa fierbinte care circulă prin instalaţia de termoficare, schimbătorul de căldură apă / aer numit “calorifer” fiind un bun exemplu de sistem termodinamic deschis). Dacă un sistem termodinamic poate primi sau ceda oricâtă căldură la temperatură constantă vorbim despre un izvor termic sau sursă de căldură. Dacă o maşină termică lucrează între două surse de căldură de temperaturi diferite vorbim despre sursa caldă şi sursa rece. Sursele de căldură sunt de asemenea noţiuni idealizate. Nimic nu poate ceda sau primi oricâtă căldură. Sunt însă situaţii reale care se apropie destul de mult de comportamentul teoretic al sursei de căldură. De exemplu mediul ambiant. Motorul unui automobil cedează căldură prin gazele de eşapament fierbinţi, prin radiatorul care răceşte lichidul din instalaţia de răcire. Mediul ambiant primeşte toată acestă căldură fără să-şi modifice temperatura, deoarece mediul ambiant este mult prea mare pentru a fi influenţat de motorul unui automobil (nu am luat aici în considerare efectul tuturor maşinilor care circulă pe arterele unui centru urban aglomerat !). Vom vedea la timpul potrivit că şi căldura degajată prin arderea continuă a unui combustibil este acceptată ca sursă de căldură.