CORINT Cyan Yellow Magenta Black Pre]: 4,67 lei FIZIC manual pentru clasa a X-a ISBN: Pentru toate filierele Ministerul Educa]iei [i

Transcription

1 CORINT Cyan Yellow Magenta Black Pre]: 4,67 lei FIZIC manual pentru clasa a X-a ISBN: Pentru toate filierele Ministerul Educa]iei [i Cercet\rii

2 3 Cuprins Capitolul 1. Elemente de termodinamicã Noþiuni termodinamice de bazã... 8 Evaluare Principiul I al termodinamicii Evaluare Calorimetrie Evaluare Aplicarea primului principiu al termodinamicii la transformãrile gazului ideal Evaluare Tranformãri de stare de agregare Evaluare Motoare termice Evaluare Principiul al II-lea al termodinamicii* Evaluare Rãspunsuri la problemele capitolului Test de evaluare sumativã (model bacalaureat) Capitolul 2. Producerea ºi utilizarea curentului electric continuu Curentul electric Evaluare Legea lui Ohm Evaluare Legile lui Kirchhoff Evaluare Gruparea rezistoarelor ºi generatoarelor electrice Evaluare Energia ºi puterea electricã Evaluare Efectele curentului electric. Noþiuni necesare în studierea capitolului Memorator de legi importante ºi relaþii utile Rãspunsuri la problemele capitolului Test de evaluare sumativã (model bacalaureat)

3 4 Capitolul 3. Producerea ºi utilizarea curentului electric alternativ Curentul alternativ Evaluare Elemente de circuit Evaluare Energia ºi puterea în circuitele de curent alternativ Evaluare Transformatorul electric Evaluare Motoare electrice Evaluare Aparate electrocasnice Evaluare Rãspunsuri la problemele capitolului Test de evaluare sumativã (model bacalaureat) Bibliografie

4 5 Prefaþã Autorii au þintit spre un manual optim structurat pentru elevii din clasa a X-a, cu nivel scãzut de dificultate ºi care respectã integral ºi uniform conþinuturile cerute de noua programã de fizicã, pentru 2-3 ore pe sãptãmânã, realizând o bunã corelare a conþinuturilor ºi sarcinilor de învãþare la toate capitolele. Din rapoartele de evaluare ale referenþilor ºtiinþifici reiese cã manualul este foarte accesibil elevilor ºi atrãgãtor, adecvat particularitãþilor de vârstã. Conþinuturile sunt prezentate accesibil, cu o creºtere progresivã a gradului de dificultate. Aplicaþiile în tehnicã ºi în viaþa de zi cu zi sunt frecvent întâlnite. Textul este redactat într-un stil atrãgãtor, titlurile ºi subtitlurile sunt evidente, capitolele ºi paginile numerotate vizibil, ideile principale clar marcate. Definiþiile, demonstraþiile ºi explicaþiile sunt clare, modelãrile grafice ºi fotografiile fac trimiteri la fenomenele analizate sau amintite în text, sunt suficiente ca numãr ºi bine echilibrate cu textul. Testele ºi problemele au o creºtere progresivã a dificultãþii, fiind foarte utile elevilor de nivel mediu. La fiecare temã, informaþiile stârnesc interesul ºi motiveazã învãþarea. În tratarea temei se obþine echilibrul optim între accesibilitate, rigurozitate ºtiinþificã ºi prezentarea informaþiilor privind descoperirile fizicii ºi aplicaþiile lor tehnico-ºtiinþifice. Sunt notate cu asterisc conþinuturile suplimentare (curriculum-ul diferenþiat pe profiluri) ºi conþinuturile facultative (a cãror parcurgere este decisã de profesor în funcþie de nivelul ºi nevoile elevilor, în cadrul orelor alocate în curriculum-ul la decizia ºcolii). Acest manual stimuleazã bunul simþ ºtiinþific, imaginaþia ºi inventivitatea elevului. Concepþia didacticã este modernã. Sunt folosite metode didactice atractive ºi eficiente (scheme ºi modelãri grafice pe calculator, analogii, demonstraþii teoretice sau experimentale simple, dar intuitive) ºi reveniri asupra noþiunilor nou-introduse sau dificile. Recapitularea unor noþiuni de electromagnetism din gimnaziu este necesarã ºi a fost, aºadar, introdusã la sfârºitul capitolului al doilea (Noþiuni necesare în studierea capitolului 3). Definiþiile, noþiunile noi ºi simbolurile mãrimilor fizice sunt scrise cu alte caractere, pentru a rãmâne în memoria vizualã, în sprijinul elevilor cu ritmuri proprii de învãþare mai scãzute. Abordarea fenomenelor fizice prin exemple sugestive, destul de cunoscute de elevi, dezvoltã gândirea ºi creativitatea tehnicã. Aplicaþiile, exemplele concludente ºi tipurile de probleme rezolvate sunt bine alese ºi suficiente. La fiecare temã existã un numãr satisfãcãtor de întrebãri, probleme, teste de autoevaluare diferite (fixare, recapitulare) cu dificultate gradatã. Acestea stimuleazã activitatea individualã. Problemele propuse au grad mediu de dificultate. La sugestia profesorului, ordinea lor poate fi schimbatã. Fiecare capitol are teste recapitulative, concepute dupã modelul celor date la bacalaureat ºi la concursurile de admitere în învãþãmântul superior ºi un memorator de legi importante. Experimentele descrise sunt opþionale în condiþiile unei dotãri necorespunzãtoare a laboratorului ºcolar sau a lipsei timpului fizic pentru realizarea lor. Considerãm cã am realizat un echilibru optim între accesibilitate, analizã corectã cu limbaj ºtiinþific adecvat, exemple concludente, informarea elevilor privind descoperirile din fizicã ºi aplicaþiile tehnico-ºtiinþifice ale acestora. A fost utilizatã o gamã largã de instrumente de stimulare a elevului prin segmentele: observaþii, lecturi pentru curioºi, experimente, aplicaþii, tabele, scheme, probleme rezolvate,

5 6 probleme propuse cu rãspunsuri multiple, teste de recunoaºtere a afirmaþiilor adevãrate ºi false, exerciþii de completare a locurilor libere cu termenii corecþi într-un text dat, mãrimi ºi unitãþi, teste de autoevaluare. Manualul urmãreºte abordarea didacticã a unor probleme ale fizicii prin exemple sugestive din viaþa cotidianã ºi ilustraþie adecvatã. Manualul respectã rigurozitatea ºtiinþificã, rãmânând, totuºi, accesibil oricãrui elev. Reflectând pe deplin ºi o bogatã experienþã didacticã ºi de autori de carte ºcolarã, manualul este elaborat într-o manierã modernã, flexibilã, apelând la metode eficiente ºi atractive pentru o învãþare activã. Utilizarea lui va avea o contribuþie importantã în pregãtirirea elevilor la Fizicã. Vã dorim succes cu acest manual! Autorii

6 Elemente de termodinamicã Capitolul 1 Q 2 p Cu cât numãrul de dreptunghiuri este mai mare, cu atât aria calculatã astfel se apropie mai mult de valoarea adevãratã. Q 1 L 0 V 1 V 2 V p T 1 T 2 L V Presiunea unui gaz asupra pereþilor care-l înconjoarã nu se poate explica decât prin miºcarea celor mai mici pãrticele ale sale. Trebuie sã admitem cã moleculele unei substanþe în stare de agregare gazoasã plutesc în spaþiu. Fiecare-ºi face drumul lin în linie dreaptã pânã ce se loveºte fie de altã moleculã, fie de un perete, ºi de aici, rãsare îndãrãt, în altã direcþie ca un glonte elastic. dupã Mihai Eminescu Caietul manuscris nr.2270, fila 142

7 8 FIZICà Materia trebuie sã aibã pãrþi ultime din care se compune, pãrþi reale, care nu se mai pot subîmpãrþi decât ideal, subîmpãrþiri care se confundã cu însãºi facultatea noastrã de a împãrþi, dar de care natura nu se mai poate servi; ea ce compune ºi descompune are nevoie de ultime particule certe, reale. dupã Mihai Eminescu, Fragmentarium neutron Atom 1 Toate corpurile sunt constituite din atomi ºi atomi asociaþi în molecule, indiferent de starea lor de agregare. Pentru reprezentarea acestora sunt folosite modele grafice Noþiuni termodinamice de bazã nucleu m m electron proton proton Recapitularea noþiunilor de chimie: mãrimile caracteristice structurii discrete a substanþei (masã molecularã, masã molecularã relativã, masã molarã, volum molar, numãrul lui Avogadro) Substanþele au structurã corpuscularã (vezi 1). Nevoia de a modela structura substanþelor este determinatã de imposibilitatea obser vãrii lor. Aºa cum ºtim, nimeni nu a vãzut un atom cu constituenþii sãi. Moleculele (mono- sau poliatomice) au structurã (electroni, protoni). John Dalton a formulat urmãtoarele ipoteze: atomii unui element chimic sunt identici; gazele din atmosferã sunt alcãtuite din atomi diferiþi (oxigen, azot, hidrogen etc.); între atomi existã spaþiu de miºcare, lipsit de substanþã (vidul interatomic); atomii se combinã pentru a forma compuºi chimici. Moleculele pot fi descrise de un model teoretic, cu urmãtoarele proprietãþi: au formã aproximativ sfericã ºi sunt identice la o aceeaºi substanþã; sunt neutre electric ºi ciocnirile se considerã elastice. Masa molecularã este masa moleculei unui element chimic. Masa molecularã relativã a unei molecule reprezintã numãrul care aratã de câte ori este mai mare masa unei molecule decât a 12-a parte din masa izotopului de carbon, 12 6 C, numitã unitate atomicã de masã: 1 u = 1, kg = 1, g. Masa molecularã relativã (M r ) a unei molecule poliatomice este egalã cu suma maselor relative ale atomilor componenþi. Masa atomicã relativã (A r ) este egalã cu raportul dintre masa atomului considerat ºi unitatea atomicã de masã. Un mol de substanþã reprezintã cantitatea de substanþã a cãrei masã, exprimatã în grame, este numeric egalã cu masa molecularã relativã a substanþei considerate. Dacã masa este exprimatã în kilograme, atunci este vorba de un kmol de substanþã (1 kmol = 10 3 moli). Masa unui mol sau masa molarã (exprimatã în g/mol sau kg/mol) o vom nota cu µ. Unitatea fundamentalã mol este cantitatea de substanþã a unui sistem care conþine un numãr de molecule: N A = 6, molecule/mol. Numãrul de molecule N A dintr-un mol de substanþã se numeºte numãrul lui Avogadro.

8 Capitolul 1. Elemente de termodinamicã 9 Se verificã relaþia: N A = = = 6, (molecule/mol). 24 u 1,66 10 Volumul molar V µ reprezintã volumul ocupat de un mol de substanþã. În aceleaºi condiþii de presiune ºi temperaturã, toate gazele ocupã acelaºi volum molar. În condiþii normale de presiune ºi temperaturã (p 0 = 1, N/m 2 ºi t 0 = 0 C), toate gazele au volumul molar: Vµ 0 = 22, m 3 /mol = 22,41 m 3 /kmol. Cantitatea de substanþã a unui sistem se exprimã prin numãrul de moli ( ν ). Dacã notãm cu N numãrul de entitãþi elementare (molecule, atomi, ioni, nuclee) conþinute în ν moli de substanþã, rezultã: m N V ν = = = µ N V, A µ 2 Fenomenul de întrepãtrundere a moleculelor a douã substanþe, numit difuzie, se poate pune în evidenþã ºi la lichide. unde: m masa de substanþã; V volumul ocupat; V µ volumul unui mol, µ masa molarã Sistem termodinamic, parametri de stare, starea unui sistem termodinamic, proces termodinamic, echilibru termodinamic Ai sesizat cã roþile se încãlzesc dupã frânãri repetate, piesele metalice se dilatã dacã se încãlzesc etc. Asemenea fenomene se numesc fenomene termice. Prin sistem termodinamic se înþelege un corp (sau un ansamblu de corpuri macroscopice), delimitat de mediul exterior printr-o suprafaþã realã sau imaginarã. Exemple de sisteme termodinamice: un gaz închis într-un cilindru cu piston, amestecul de apã cu gheaþã dintr-un vas etc. Rãspândirea mirosului specific al unei substanþe într-o încãpere se poate explica prin difuzie (pãtrunderea moleculelor acelei substanþe printre moleculele de aer). Difuzia se constatã ºi la lichide ºi la solide (vezi 2, 3). Gazele difuzeazã mai repede decât lichidele. Difuzia se produce mai repede la încãlzire. Forþele de atracþie intermoleculare sunt slabe ºi se manifestã efectiv pânã la distanþe de ordinul m, iar diametrele moleculelor sunt de ordinul m (1Å = m). La distanþe intermoleculare mai mari (ca în cazul gazelor), aceste forþe devin atât de mici încât nu mai pot pãstra forma sau volumul corpului. Agitaþia termicã reprezintã miºcarea permanentã ºi dezordonatã a moleculelor în toate direcþiile (vezi 4). Temperatura unui corp este mãsura intensitãþii agitaþiei moleculelor sale. Denumirea agitaþie termicã sugereazã creºterea agitaþiei dezordonate a moleculelor la mãrirea temperaturii ºi invers. 3 Difuzia se constatã ºi la solide: douã metale presate la cald se dezlipesc greu în urma rãcirii. 4 Fumul nu se ridicã perfect vertical. Acesta se ridicã o datã cu aerul cald prin straturi mai reci, pânã când se rãspândeºte în straturi orizontale. Fiecare particulã de carbon are miºcare haoticã, numitã miºcare brownianã. Moleculele de aer ciocnesc permanent, din toate pãrþile ºi cu totul neregulat, particulele de carbon în suspensie ºi le transmit impulsuri diferite.

9 10 FIZICÃ 5 În cazul unui gaz, moleculele se deplaseazã liber ºi ciocnesc suprafaþa unui perete solid. 6 Un model grafic al unui corp solid cu structurã cristalinã presupune ioni (consideraþi sfere) care oscileazã permanent în jurul poziþiilor de echilibru. 7 La lichide, miºcãrile moleculelor sunt compuse din miºcãri de oscilaþie (ca la solide) ºi de translaþie (ca la gaze). Moleculele oricãrui corp se aflã în miºcare permanentã: de translaþie la gaze (vezi 5) sau de oscilaþie în jurul poziþiei de echilibru la solide ºi lichide (vezi 6,7). Starea unui sistem termodinamic la un moment dat este determinatã de mulþimea proprietãþilor sistemului. Mãrimile fizice mãsurabile asociate proprietãþilor unui sistem termodinamic se numesc parametri de stare. Dacã parametrii de stare au valori diferite în interiorul sistemului, acesta se aflã în stare de neechilibru ºi evolueazã spre o stare de echilibru, în care ajunge dupã un interval de timp. La comprimarea sau destinderea bruscã a unui gaz dintr un cilindru cu piston mobil, dupã succesiunea de stãri de neechilibru, sistemul ajunge dupã un timp (de relaxare) într-o stare de echilibru termodinamic. Starea de echilibru a unui sistem termodinamic este caracterizatã de parametri constanþi în timp în toate punctele sistemului. Starea de neechilibru a unui sistem termodinamic este caracterizatã de parametri variabili în timp. Trecerea sistemului dintr-o stare în altã stare, în urma unor interacþiuni cu mediul exterior, se numeºte proces termodinamic sau transformare de stare. Sistemele termodinamice pot fi: izolate (nu schimbã nici energie ºi nici substanþã cu mediul exterior); închise (schimbã doar energie, nu ºi substanþã, cu mediul exterior); deschise (schimbã ºi energie, ºi substanþã cu mediul exterior). Schimburile de energie între un sistem ºi mediul exterior lui se pot face prin lucru mecanic ºi prin cãldurã. Sistemul considerat poate sã se încãlzeascã sau sã se rãceascã numai prin schimb de energie sub formã de cãldurã (când lucrul mecanic este nul). Cãldura este o mãrime care mãsoarã transferul de energie (prin conducþie, convecþie ºi radiaþie termicã) de la un corp aflat într-o stare de încãlzire, la alt corp, aflat într-o stare de încãlzire inferioarã. Dacã pui mâna pe pereþii unui vas cu apã încãlzitã, cãldura ajunge la mânã prin conducþie. Ai constatat cã radiaþia termicã a caloriferelor depinde de temperatura acestora. Termodinamica studiazã doar fenomenologic procesele termice. Pornind de la relaþii empirice (obþinute experimental), termodinamica formuleazã principii fundamentale ºi legi valabile pentru comportarea sistemelor la trecerea dintr-o stare de echilibru în alta. În legile sale intervin mãrimile macroscopice mãsura bile direct (presiunea, volumul, masa, temperatura). Termodinamica nu foloseºte modele de structurã molecularã. Teoria cinetico molecularã explicã procesele termice ºi proprietãþile sistemelor termodinamice prin studiul pe modele de structurã molecularã.

10 Capitolul 1. Elemente de termodinamicã 11 Procese termodinamice Procesele cvasistatice se desfãºoarã lent, parametrii de stare corespunzãtori stãrilor intermediare (considerate stãri de echilibru) pot fi determinaþi (vezi 8). Procesele cvasistatice sunt reversibile atunci când stãrile intermediare de echilibru sunt aceleaºi în ambele sensuri ale evoluþiei între stãrile 1 ºi 2 (vezi 9). Întâlnim ºi procese cvasistatice ireversibile: ruginirea, îmbãtrânirea materialelor. Majoritatea proceselor din naturã sunt ireversibile (nu se produc de la sine în sens opus). Ai observat vreun proces de difuzie desfãºurat în sens invers? Procesele nestatice se desfãºoarã rapid, dintr o stare iniþialã de echilibru într-o stare finalã de echilibru. Aprinderea benzinei în cilindrul unui motor este proces ireversibil nestatic. Parametrii stãrilor intermediare nu se pot determina ºi reprezenta grafic, deoarece nu sunt stãri de echilibru. Procesul este ciclic dacã sistemul termodinamic evolueazã printr-o serie de stãri ºi se întoarce în starea iniþialã prin alte stãri intermediare (starea finalã a sistemului coincide cu starea iniþialã). Procesele ciclice pot fi cvasistatice sau nestatice. Procesul este adiabatic dacã se desfãºoarã fãrã schimb de cãldurã cu exteriorul (Q = 0). Schimbul de cãldurã este neglijabil în comprimãri sau destinderi rapide sau poate fi practic eliminat de înveliºurile adiabatice (pereþi dubli termoizolatori ºi reflectanþi, între care se produce vid, ca la vasul de termos). Dacã un parametru de stare rãmâne constant în timpul procesului considerat, atunci procesele termodinamice se numesc: izoterme, dacã temperatura rãmâne constantã (t = const.); izocore, dacã volumul rãmâne constant (V = const.); izobare, dacã presiunea rãmâne constantã (p = const.). Starea de echilibru pentru gaze este descrisã complet de valorile parametrilor: presiunea p, volumul V, temperatura t. Nu toþi parametrii de stare care descriu diferite proprietãþi ale unui sistem termodinamic au valori independente. Prin folosirea unor relaþii cunoscute se poate exprima un parametru de stare în funcþie de alþi parametri independenþi (mãrimi mãsurabile care pot avea diverse valori: presiunea p, volumul V, masa m, temperatura t). Expresia matematicã, ce descrie relaþia între parametri de stare printr-o funcþie de forma p= f (V, t), se numeºte ecuaþie termicã de stare. Presiunea p este mãrimea fizicã scalarã numeric egalã cu raportul dintre mãrimea forþei F, care apasã perpendicular ºi uniform pe o suprafaþã a unui mediu material, ºi aria S a acestei suprafeþe: 8 Un proces cvasistatic se poate reprezenta grafic prin curbã continuã (în coordonate p ºi V, numite coordonate Clapeyron). 9 Topirea gheþii sau îngheþarea apei dintr un vas ºi absorbþia sau evacuarea lentã a aerului dintr un cilindru cu piston etanº sunt procese reversibile cvasistatice. p = F S

11 12 FIZICÃ Unitatea de mãsurã pentru presiune se numeºte pascal: N [ p] S.I. = 2 = Pa. m Presiunea atmosfericã este presiunea exercitatã de atmosferã pe suprafaþa corpurilor, indiferent de orientarea suprafeþei (vezi A). Un gaz este omogen, dacã proprietãþile sale sunt aceleaºi în fiecare punct, ºi izotrop, dacã nu existã direcþie privilegiatã pentru proprietãþile acestuia. ia Presiunea atmosfericã normalã p 0 este presiunea atmosferei care echilibreazã presiunea hidrostaticã a unei coloane de mercur, cu înãlþimea h = 0,76 m, aflatã la nivelul mãrii: p 0 = ρ Hg gh col Hg = = kg/m 3 9,8 m/s 2 0,76 m = = 1, Pa, unde ρ Hg = kg/m 3 este densitatea mercurului. Unitãþi tolerate pentru mãsurarea presiunii: 1 atm= 1, Pa (atmosfera fizicã); 1 torr = 1 mm col. Hg = 133,3 Pa (corespunde presiunii exercitate de o coloanã de mercur cu înãlþimea h = 1 mm, deci p 0 = 760 torr) Contact mecanic ºi contact termic Interacþiunea unui sistem cu mediul exterior produce o transformare, deci o modificare a parametrilor de stare. Între douã sisteme termodinamice se poate realiza: contact mecanic, atunci când schimbul de energie dintre sisteme se face prin lucrul mecanic efectuat de forþele dintr-un sistem asupra celuilalt; contact termic, atunci când schimbul de energie dintre sistemele izolate de exterior se face numai prin cãldurã, nefiind posibil schimbul de energie prin lucru mecanic. Dacã douã sisteme sunt în contact termic ºi între acestea nu se face transfer de energie prin cãldurã, atunci sunt în stare de echilibru termic. ªtii cã atunci când aduci în contact douã corpuri (unul cald ºi altul rece), acestea ajung, dupã un interval de timp, în echilibru termic când nu mai schimbã cãldurã între ele. În afara echilibrului mecanic este necesar ºi echilibrul termic (vezi B). Starea de încãlzire a unui sistem termodinamic depinde de miºcarea de agitaþie a moleculelor sale. Senzaþia fiziologicã de temperaturã nu este mãsurabilã. Deoarece nu ne putem baza pe simþul tactil în ordonarea corpurilor dupã starea de încãlzire, este nevoie sã definim temperatura ca un parametru intern care mãsoarã gradul de încãlzire a unui sistem Principiul zero al termodinamicii B Un cilindru orizontal care conþine aer este închis la ambele capete ºi despãrþit printr-un piston mobil în douã compartimente. Echilibrul se realizeazã când presiunile sunt egale. În cazul în care cele douã compartimente au temperaturi diferite ºi pistonul este metalic, se observã deplasarea acestuia (presiunile vor fi egale în cursul procesului, dar diferite de valoarea iniþialã). Dacã douã sisteme termodinamice sunt în echilibru termic cu al treilea sistem termodinamic, atunci sunt ºi ele în echilibru termic. Aceastã concluzie experimentalã are rang de principiu, numit principiul zero al termodinamicii sau principiul tranzitivitãþii echilibrului termic. Proprietatea de tranzitivitate a stãrilor de echilibru termic rezultatã din experimente se generalizeazã ca principiu al tranzitivitãþii echilibrului termic: dacã sistemul 1 (gheaþa, de exemplu) este în echilibru cu sistemul 2 (apa, de exemplu) ºi acesta este în echilibru cu sistemul 3 (termometrul), atunci sistemele 1 ºi 3 sunt în echilibru termic.

12 Capitolul 1. Elemente de termodinamicã 13 Corpurile care ajung la echilibru termic, în urma contactului termic, au aceeaºi temperaturã. Corpul cald cedeazã cãldurã corpului rece, deci temperatura corpului cald scade pânã când se realizeazã echilibrul termic. Temperatura atribuitã unui sistem (un corp sau mai multe corpuri aflate în contact termic cu un termometru), prin stabilirea convenþionalã a unei scãri de temperaturã, se numeºte temperaturã empiricã. Temperatura empiricã este o mãrime ce caracterizeazã starea de încãlzire la echilibru termic. Determinarea temperaturii se bazeazã pe principiul echilibrului termic: termometrul ºi sistemul (a cãrui temperaturã o mãsurãm), aduse în contact termic ºi izolate de exterior, ajung, dupã un interval de timp, la echilibru termic, atunci când nu mai schimbã energie sub formã de cãldurã. Temperatura indicatã de termometru coincide cu cea a sistemului considerat. Pentru o mãsurare cu o eroare cât mai micã, trebuie ca echilibrul termic sã se realizeze cu schimb de cãldurã cât mai redus. C Mãsurarea temperaturii la echilibru termic se bazeazã pe corespondenþa dintre valorile mãsurate ale unei mãrimi fizice (lungimea unei coloane de lichid, rezistenþa electricã a unui rezistor, presiunea exercitatã de un gaz la volum constant etc.) ºi starea de încãlzire, printr-o scarã de temperaturi convenþional aleasã. i Temperatura indicatã de termometru este temperatura de echilibru ºi nu cea iniþialã a corpului Pãrþile componente ale unui termometru ºi funcþionarea acestuia Mãrimea fizicã folositã pentru mãsurarea temperaturii se numeºte mãrime termometricã. Corpul termometric folosit pentru mãsurarea temperaturii poate fi mercur, alcool, termocuplu, semiconductoare etc. (vezi C). Etalonarea unui termometru se bazeazã, de obicei, pe alegerea a douã stãri fizice reproductibile, cãrora li se atribuie, prin convenþie, douã temperaturi de reper, între care se ordoneazã intervalul de temperaturi (vezi D). Dilatarea termicã este procesul de creºtere a dimensiunilor unui corp sub acþiunea cãldurii. Un grad Celsius reprezintã modificarea de temperaturã care corespunde unei sutimi din dilatarea lichidului în tubul capilar al termometrului, atunci când rezervorul acestuia se mutã din gheaþa purã care se topeºte în vaporii apei pure care fierbe, la presiune normalã. Termometrul cu coloanã de lichid utilizeazã: mercur, toluen, alcool etilic. Lungimea L a coloanei de lichid creºte liniar cu temperatura t, dupã relaþia cunoscutã din gimnaziu: L=L 0 (1α t), unde L 0 lungimea coloanei de lichid la 0 C, iar α coeficientul de dilatare liniarã al lichidului. D Scara Celsius este o scarã convenþionalã centigradatã, cu temperaturi de reper reproductibile: se atribuie, prin convenþie, valoarea 0 C temperaturii ce corespunde stãrii de echilibru termic între apa purã ºi gheaþa care se topeºte, la presiune atmosfericã normalã. Se introduce rezervorul termometrului în amestecul gheaþã-apã ºi se marcheazã diviziunea zero la nivelul lichidului din tubul capilar, când acesta devine staþionar; se atribuie, prin convenþie, valoarea 100 C temperaturii ce corespunde stãrii de echilibru termic între apa purã ºi vaporii de apã obþinuþi prin fierbere la presiunea atmosfericã normalã. Se introduce rezervorul în vaporii apei care fierbe ºi marcãm 100 C. Intervalul dintre cele douã repere are 100 C.

13 14 FIZICà E a. Termometrul metalic utilizeazã o lamã bimetalicã (alamã ºi oþel) ale cãrei componente se dilatã diferit la încãlzire. Curbarea lamei cu temperatura produce miºcarea unui ac indicator în faþa unei scale gradate. t 1 t 2 E b. Termometrul cu termocuplu utilizeazã mãrimea tensiunii, mãsuratã de un milivoltmetru, care apare între sudurile a douã metale diferite, când una dintre suduri este la o temperaturã mai ridicatã decât cealaltã. E c. Termometrele cu dispozitive electronice utilizeazã sonde cu semiconductori care îºi modificã rezistenþa electricã la încãlzire. Curentul care trece prin acestea este mãsurat de un miliampermetru cu scala gradatã în unitãþi de temperaturã. În tehnicã se folosesc alte tipuri de termometre (vezi E a, b, c). Schimbul de energie sub formã de cãldurã între termometru ºi sistemul considerat se face la suprafaþa de contact, prin ciocnirile dintre moleculele lor, deci fãrã schimb de energie sub formã de lucru mecanic. Dacã între sistem ºi termometru, aflate în contact, nu mai are loc un schimb de cãldurã, atunci ele au ajuns în starea de echilibru termic ºi temperatura termometrului nu se mai modificã. Scara Kelvin, adoptatã în S.I., are fixat punctul zero al scalei la temperatura 273,15 C. Temperatura absolutã T 0 = 0 K ar corespunde stãrii în care ar înceta miºcarea de agitaþie termicã a moleculelor. Temperatura T calculatã faþã de zero absolut se numeºte temperaturã termodinamicã (sau absolutã),este mãrime fizicã fundamentalã în S.I. Unitatea de mãsurã K (kelvinul) are aceeaºi mãrime ca ºi gradul de pe scara Celsius, deci: 1 K = 1 C = 1 grd ºi T (K) = t ( C) 273,15. Scara Fahrenheit are aceleaºi stãri de referinþã ca ºi scara Celsius, dar li s-au atribuit temperaturile t 1 = 32 F ºi, respectiv, t 2 = 212 F: t F ( F) = 32 1,8t ( C). Termostatul este un sistem termodinamic a cãrui temperaturã nu se modificã în urma realizãrii contactului termic cu un sistem termodinamic. i Clasificãri ale parametrilor de stare I. Parametrii care pot avea valori arbitrare se numesc parametri independenþi (volumul ºi presiunea unui gaz, de exemplu), iar parametrii care au valori dependente de valorile parametrilor independenþi, determinabile cu anumite relaþii matematice, se numesc parametri dependenþi (densitatea unui gaz, de exemplu). II. Parametrii care nu depind de dimensiunile sistemului se numesc intensivi (presiunea, temperatura, de exemplu), iar parametrii care depind de dimensiunile sistemului se numesc extensivi (masa, volumul, de exemplu). III. Se definesc parametri care depind de poziþie (volumul, de exemplu) ºi parametri care depind de forþe (presiunea, de exemplu). Reþine! Putem spune cã schimbul de energie înceteazã atunci când temperaturile corpurilor devin egale sau când sistemul a ajuns la echilibru termic. Mãsurarea temperaturii unui corp sau a unui sistem de corpuri se face prin contact termic cu un termometru, dacã se realizeazã echilibru termic. Moleculele constituente ale corpurilor considerate ºi ale corpului termometric se ciocnesc între ele ºi transferã energia de la corpul sau corpurile cu energie cineticã medie mai mare la corpul sau corpurile din sistem cu enegie cineticã mai micã, pânã când energia cineticã medie a moleculelor ajunge la aceeaºi valoare (la echilibru termic).

14 Capitolul 1. Elemente de termodinamicã 15 Evaluare TEST 1 Copiazã în caiet urmãtoarele afirmaþii ºi rãspunde cu A, dacã afirmaþia respectivã este adevãratã, sau cu F, dacã este falsã: 1. Cãldura mãsoarã energia transmisã de la un corp cald la unul rece, cu care este pus în contact. 2. Agitaþia termicã reprezintã miºcarea permanentã ºi ordonatã a moleculelor. 3. Intensitatea agitaþiei termice nu depinde de starea de încãlzire a sistemului considerat. 4. La încãlzirea unui corp se intensificã agitaþia termicã dezordonatã a moleculel or. 5. Numãrul lui Avogadro reprezintã cantitatea de gaze diferite, aflate în aceleaºi condiþii de temperaturã ºi presiune. 6. Conform legii lui Avogadro, cantitaþi egale de gaze diferite,aflate în aceleaºi condiþii de temperaturã ºi presiune, au acelaºi numãr de molecule. 7. Numãrul lui Avogadro reprezintã numãrul de molecule dintr un mol de substanþã. 8. Orice transformare cvasistaticã este reversibilã. 9. Moleculele de aer ciocnesc permanent, omnidirecþional, dar neregulat particulele aflate în suspensie. cald rece F TEST 2 La urmãtoarele afirmaþii rãspunde cu A, dacã afirmaþia respectivã este adevãratã, sau cu F, dacã este falsã: 1. Dacã un corp cald este adus în contact cu un alt corp, mai rece, atunci transferul de temperaturã se face de la sine, de la corpul cald spre cel rece (vezi F). 2. Procesele nestatice se desfãºoarã lent. 3. Procesele nestatice se desfãºoarã rapid. 4. Difuzia se desfãºoarã lent la temperaturi mici (vezi G). 5. Dacã parametrii de stare au valori diferite în interiorul sistemului, atunci acesta se aflã în stare de echilibru termodinamic. 6. Sistemele termodimamice izolate nu schimbã substanþã cu exteriorul. 7. Sistemele termodimamice închise nu schimbã energie cu exteriorul. 8. Sistemele termodimamice izolate nu schimbã energie cu exteriorul. 9. Sistemele termodimamice deschise schimbã numai energie cu exteriorul. G

15 16 FIZICà H TEST 3 Copiazã textul în caiet ºi completeazã spaþiile libere cu termenii potriviþi: Miºcarea brownianã este observatã în orice fluid ºi este cu atât mai intensã, cu cât particulele în suspensie sunt mai mici, cu cât lichidul este mai puþin vâscos ºi cu cât temperatura este mai. Dacã o particulã în suspensie este mare, moleculele care o ciocnesc din toate pãrþile în numãr mare îºi compenseazã reciproc ºi miºcarea brownianã nu se observã experimental. Dacã particula este foarte micã, impulsurile forþelor nu se mai reciproc (vezi H). Uneori, o faþã a particulei în suspensie este ciocnitã de un numãr mai mare de molecule decât faþa opusã, ceea ce face ca particula sã. În cazul solidelor ºi al lichidelor, moleculele se atrag atât de puternic, încât aceste corpuri îºi pãstreazã propriu. Solidele îºi pãstreazã ºi proprie. În stare gazoasã, forþele de atracþie dintre molecule sunt cu mult mai mici decât la solide ºi lichide, astfel încât gazele ocupã în întregime pe care îl au la dispoziþie. I J PROBLEME Cautã rãspunsul corect la problemele urmãtoare: 1. Un termometru greºit etalonat indicã o temperaturã de 6 grade când este introdus într-un amestec de apã ºi gheaþã curatã la presiune atmosfericã normalã ºi, respectiv, o temperaturã de 109 grade când rezervorul termometrului este þinut în vaporii apei pure care fierbe la presiune normalã (vezi I). Temperatura realã pentru indicaþia de 40 de grade a acestui termometru este: a) 32 C; b) 35 C; c) 40 C; d) 46 C. 2. Dacã introduci în apa dintr-un vas un corp mai cald din exterior ºi citeºti imediat indicaþia termometrului, poþi afirma cã aceasta este temperatura de echilibru termic a sistemului? (vezi J) 3. Toþi parametrii de stare variazã în transformarea: a) izotermã a gazului ideal; b) izocorã a gazului ideal; c) generalã a gazului ideal; d) izobarã a gazului ideal. 4. Principiul zero al termodinamicii (numit ºi al tranzitivitãþii echilibrului termic) introduce o mãrime de stare numitã: a) energie internã; b) temperaturã absolutã; c) temperatura empiricã; d) temperatura relativã. 5. Un sistem termodinamic este închis dacã: a) nu schimbã energie cu exteriorul; b) schimbã cu exteriorul masã ºi energie; c) schimbã cu exteriorul numai energie; d) este izolat de exterior.