Conectează-te Înregistrare gratuită
Fizică Liceu (9-12)

Termodinamica: Transformari de stare si gaze ideale

Pe scurt

Termodinamica studiază transformările energiei și schimburile de căldură și lucru mecanic dintre un sistem și mediul său. Gazele ideale sunt descrise de ecuația de stare pV = νRT, iar transformările lor principale (izotermă, izobară, izocoră, adiabatică) sunt caracterizate de menținerea constantă a unei mărimi termodinamice. Înțelegerea acestor transformări și aplicarea corectă a principiilor termodinamicii sunt esențiale pentru rezolvarea problemelor de bacalaureat.

Ecuația de stare a gazului ideal

  • Ecuația de stare: pV = νRT, unde:
- p = presiunea

- V = volumul

- ν = numărul de moli

- R = constanta universală a gazelor (8,314 J/mol·K)

- T = temperatura absolută (în Kelvin)

  • Transformarea grade Celsius în Kelvin: T(K) = t(°C) + 273,15

Transformările de stare ale gazului ideal

Transformările sunt caracterizate de menținerea constantă a unei mărimi termodinamice.
  • Transformarea izotermă (T constant):
- Legea Boyle-Mariotte: pV = constant

- Lucrul mecanic: L = νRT ln(V₂/V₁)

  • Transformarea izobară (p constant):
- Legea Charles: V/T = constant

- Căldura primită: Q = νCpΔT, unde Cp = Cv + R

  • Transformarea izocoră (V constant):
- Legea Gay-Lussac: p/T = constant

  • Transformarea adiabatică (Q = 0, fără schimb de căldură):
- Relația: pV^γ = constant, unde γ = Cp/Cv (exponentul adiabatic)

- Pentru gaz monoatomic: γ = 5/3

- Pentru gaz diatomic: γ = 7/5

- Lucrul mecanic: L = (p₂V₂ - p₁V₁)/(1-γ)

- Variația energiei interne: ΔU = -L (pentru adiabatică)

Principiul I al termodinamicii

  • Formula: ΔU = Q - L, unde:
- ΔU = variația energiei interne

- Q = căldura schimbată

- L = lucrul mecanic efectuat de sistem

  • În transformările ciclice: sistemul revine la starea inițială, iar ΔU = 0

Lucrul mecanic și randamentul

  • Lucrul mecanic într-o transformare: L = ∫p dV (aria de sub curba p(V) în diagrama p-V)
  • Randamentul unui ciclu termodinamic (de exemplu, ciclul Carnot): η = 1 - T_f/T_c, unde T_f și T_c sunt temperaturile surselor rece și caldă

Exemple de aplicare

  • Exemplul 1 (izotermă): Un gaz ideal (ν=2 moli) se află inițial la p₁=3 atm și V₁=20 L. Se destinde izoterm până la V₂=40 L. Se cer: a) presiunea finală p₂; b) lucrul mecanic efectuat de gaz (în J). Rezolvare: a) Legea Boyle-Mariotte: p₁V₁ = p₂V₂ ⇒ p₂ = p₁V₁/V₂ = 3·20/40 = 1,5 atm. b) Lucrul mecanic L = νRT ln(V₂/V₁). Mai întâi calculăm T din ecuația de stare: p₁V₁ = νRT ⇒ T = p₁V₁/(νR) = (3·101325 Pa)·(0,02 m³)/(2·8,314) ≈ (303975·0,02)/(16,628) ≈ 6079,5/16,628 ≈ 365,6 K. Atunci L = 2·8,314·365,6·ln(2) ≈ 16,628·365,6·0,6931 ≈ 6079,5·0,6931 ≈ 4215 J.
  • Exemplul 2 (izobară): Un gaz ideal (ν=1 mol) la p=2 bar ocupă V₁=10 L la t₁=27°C. Se încălzește izobar până la t₂=127°C. Se cere V₂ și căldura primită (Cv=3R/2). Rezolvare: Transformăm temperaturile: T₁=300 K, T₂=400 K. Legea Charles: V₁/T₁ = V₂/T₂ ⇒ V₂ = V₁·T₂/T₁ = 10·400/300 = 13,33 L. Căldura primită izobar: Q = νCpΔT, iar Cp = Cv + R = (3R/2)+R = 5R/2 = (5·8,314)/2 = 20,785 J/mol·K. Deci Q = 1·20,785·(400-300) = 2078,5 J.
  • Exemplul 3 (adiabatică): Un gaz diatomic (γ=7/5, Cv=5R/2) se comprimă adiabatic de la V₁=8 L, p₁=1 atm la V₂=2 L. Se cer p₂ și variația energiei interne. Rezolvare: Relația adiabatică: p₁V₁^γ = p₂V₂^γ ⇒ p₂ = p₁(V₁/V₂)^γ = 1·(8/2)^(1,4) = 4^1,4. 4^1,4 = 4^(7/5) = (4^7) la puterea 1/5; 4^1=4, 4^0,4≈e^(0,4·ln4)≈e^(0,4·1,3863)=e^0,5545≈1,741, deci p₂≈4·1,741=6,964 atm. T₁ = p₁V₁/(νR); pentru a afla ν: nu e dat, dar putem calcula ΔU = νCvΔT. Alternativ, pentru adiabatic, L = -ΔU, iar L = (p₂V₂ - p₁V₁)/(1-γ). Convertim unitățile: p₁=101325 Pa, V₁=0,008 m³, p₂=6,964·101325≈705.600 Pa, V₂=0,002 m³. Atunci L = (705600·0,002 - 101325·0,008)/(1-1,4) = (1411,2 - 810,6)/(-0,4) = 600,6/(-0,4) = -1501,5 J. Deci ΔU = -L = 1501,5 J (crește energia internă).

Concepte cheie

  • Ecuația de stare a gazului ideal: pV = νRT
  • Transformări de stare: izotermă (pV=const), izobară (V/T=const), izocoră (p/T=const), adiabatică (pV^γ=const)
  • Principiul I al termodinamicii: ΔU = Q - L
  • Lucrul mecanic într-o transformare: L = ∫p dV (aria de sub curba p-V)
  • Exponentul adiabatic: γ = Cp/Cv (monoatomic: 5/3, diatomic: 7/5)

Verifică-te!

  1. Care este legea care descrie transformarea izotermă a unui gaz ideal?
  2. Cum se calculează randamentul unui ciclu Carnot?
  3. Ce valoare are exponentul adiabatic γ pentru un gaz diatomic?

Vrei exerciții pe lecția asta + AI care te ajută pas cu pas?
Cont gratuit — 20 întrebări AI/zi, exerciții nelimitate.

Creează cont