Totul Despre Fizica!: ianuarie 2014

miercuri, 22 ianuarie 2014

Egipt

Civilizaţia egipteană veche a existat aproape 3000 de ani aparent într-o formă neschimbată, lăsînd moştenire capodopere arhitecturale, monumentale şi comori fabuloase. Piramidele, Sfinxul şi mormântul lui Tutankamon sunt admirate şi astăzi de întreaga lume.

Apărut în deşert, Egiptul era la o suficientă distanţă de tulburările Orientului Apropiat. După ce s-a constituit civilizaţia egipteană s-a dovedit a fi destul de stabilă, conservatoare şi longevivă. Deşi, au egzistat schimbări în viaţa ţării, acestea au fost atât de lente, încât popoarele antice vedeau Egiptul ca o societate misterioasa, fără vârstă. Un istoric grec a denumit Egiptul foarte inspirat ca ,,Darul Nilului’’, pentru-că locurile propice aşezărilor oamenilor erau pe malurile fluviului Nil care parcurge sute de kilometri prin deşert, vărsându-se în Marea Mediterana printr-o deltă.

Vechii egipteni erau, din fire, un popor optimist. Ei iubeau viaţa şi se simţeau legaţi de viaţa de zi cu zi. În acelaşi timp, însa, aşa cum sublinia şi Herodot în Istoriile sale, ei credeau cu tărie în nemurirea sufletului şi în viaţa de dincolo de mormânt. Probabil, tocmai de aceea, acest popor cunoştea o singură noţiune pentru a desemna cele “doua” vieţi, respectiv ankh, care înseamnă “viaţă”. Pentru egipteni, viaţa viitoare nu reprezenta altceva decât o continuare a vieţii de pe pământ. Singura deosebire între cele doua stadii ale vieţii era aceea că morţii locuiau undeva în Apus, Imentet, pe când cei vii trăiau în răsărit, pe Nil. Morţii erau “poporul Apusului”, Imenţiu.

În pofida abundenţei documentelor scrise şi nescrise, cercetătorii sunt, totuşi, foarte divizaţi atunci când încearcă să explice concepţia egipteană despre suflet şi nemurire sau despre cultul mortilor. Dificultatea provine din faptul că, în atâtea milenii de istorie, credinţele şi practicile religioase egiptene au cunoscut o evoluţie consecventă, aşa încât nu se poate vorbi despre o concepţie limpede şi unitară cu privire la suflet şi viaţa viitoare.

Cu toate acestea egiptenii ca şi toţi oamenii nu visau să ajungă la această jalnică vârstă – bătrâneţe. Bătrânul care datorită îngrijirilor şi-a păstrat înfăţişarea, chipul tânăr şi toate calitaăţile atrăgea admiraţia celor din jur. O bătrâneţe fericită pentru un egiptean nu însemna doar lipsa unor slăbiciuni, boli. Pentru aceasta se ce cerea bogăţie sau un venit oarecare. Acel care a ajuns la statutul de om respectat, cinstit, nu numai că avea pâinea de toate zilele, dar mai putea să-şi propună şi o înmormântare pompoasă.

Marile Piramide din Egipt:

In Egipt exista, in prezent, circa 110 piramide cunoscute, dintre care multe se afla intr-o stare avansata de deteriorare si sunt aproape de nerecunoscut. Unele au fost construite ca locuri de inmormantare pentru regi si altele pentru regine. Printre motivele invocate ca explicatii pentru existenta piramidelor se numara urmatoarele doua: 1. se prea poate ca piramida sa fi reprezentat o scara pe care regele urca la ceruri si 2. piramida era simbolul colinei primordiale pe care Creatorul Soare s-a nascut.

Cum au reusit egiptenii sa organizeze o forta de munca atat de complexa si miscarea fizica a blocurilot mari de piatra este inca un subiect supus dezbaterilor. Constructia piramidelor se poate sa fi implicat rampe construite in jurul ei, pe care blocurile de piatra erau trase cu niste sanii, iar la urma rampele sa fi fost demontate. Se crede ca cea mai mare parte a fortei de munca venea din partea agricultorilor, care erau disponibili in timpul sezonului de inundatii, cand Nilul se revarsa si terenurile agricole erau sub ape. Ar fi fost, de asemenea, momentul oportun pentru transportarea cu barca a blocurilor mari de piatra, de la carierele lor pana la "santierul" piramidelor.

Cea mai veche piramida a fost Piramida in trepte, a regelui Djoser, din a 3-a dinastie a Vechiului Regat, cu peste 4600 ani in urma. Piramida a fost cea mai mare structura ridicata vreodata la Saqqara, necropola ce domina vechea capitala Memphis. Initial, a fost construita sub forma de mormant „mastaba", deasupra caruia s-au adaugat nivele suplimentare pentru a-i da un aspect de trepte.

Piramida in trepte de la Saqqara:

Sub ea se gasea un sistem complex de coridoare cu o camera mortuara captusita cu granit roz de Aswan, la aproximativ 28m adancime. Intrarea era sigilata cu un „dop" de granit, ce cantarea 3 tone. Exteriorul piramidei ar fi fost imbracat in calcar fin, dar acesta a fost indepartat cu mult timp in urma. In apropierea piramidei Djoser se aflau templul mortuar, o Mare Curte si diverse alte structuri.

Prima piramida adevarata a fost construita pentru regele Sneferu in timpul celei de-a 4 dinastii a Vechiului Regat. A fost denumita „Piramida Rosie", datorita culorii sale, sau "Piramida Nordului", datorita pozitiei sale - laDashur, in sudul Cairo-ului. Avea aproximativ 105m inaltime si laturile de 220m.

Piramida Rosie

Cea mai mare piramida construita vreodata este Marea Piramida de la Giza, situata la sud-vest de Cairo. Ridicata pentru regele Khufu, aceasta a fost finalizata in jurul anului 2550 i.Hr..

Se estimeaza ca piramida contine aproximativ 2,300,000 de blocuri de piatra cu o greutate medie de 2,5 tone fiecare, iar unele ajung chiar pana la 15 tone. Laturile sale masoara 230m lungime. Structura ar fi masurat in jur de 146,6 m inaltime, dar acum este putin mai mica, datorita carcasei exterioare care a fost indepartata pentru a construi mai multe cladiri din Cairo in timpul Evului Mediu. Designul interior a fost schimbat in timpul constructiei, iar camera mortuara a fost mutata.

Una din caracteristicile sale cele mai spectaculoase este Marea Galerie, constuita in panta. La capatul Galeriei se afla un coridor care duce in Camera regelui, ai carui pereti sunt realizati din granit lustruit. Un sarcofag mare de granit este deschis si nu s-au gasit niciodata bunuri de inmormantare acolo.

Marea Piramida de la Giza:

La est de piramida, o parte din pavajul de bazalt neted din templul mortuar inca e vizibil si drumul pietruit care ducea la templul de pe rau este acum ingropat, in timp ce templul din vale se afla sub cladirile moderne. Piramidele mici pentru regine sunt adiacente Marii Piramide, la fel cum sunt si gropile pentru barci.

In 1954, o barca mare de cedru a fost descoperita intr-una din aceste gropi. A fost reasamblata si acum este expusa alaturi de piramida. O a doua barca a ramas in intregime acoperita intr-o alta groapa. Se poate ca barcile sa le fi servit regilor decedati sa treaca in lumea de dincolo.

Platoul Giza este, de asemenea, casa altor doua piramide mari, construite pentru regii care au urmat, Chephrensi Menkaura. Ca si Marea Piramida, ambele au templu in vale si templu mortuar conectate prin drumuri de piatra. Langa templul din vale al lui Chephren se afla celebrul Sfinx, de 73m lungime. In ciuda controverselor legate de varsta sa, majoritatea egiptologilor cred ca Sfinxul a fost sculptat intr-un afloriment stancos, in acelasi timp in care a fost construita Piramida lui Chephren.

Piramida lui Chephren:

Resurse pentru construirea altor piramide enorme, in timpul Vechiulului Regat, n-au putut fi adunate, iar constructiile au fost mai mici si mai prosti construite. A 5-a piramida a Dinastiei, cea a lui Unas, construita tot laSaqqara, este renumita pentru textele sale, primele texte funerare cioplite in peretii vreunei piramide. Aceasta este situata la sud de piramida Djoser.

In timpul Regatului Mijlociu, regii si-au construit din nou piramide, dar fiind in mare masura din caramizi de noroi, nu s-au pastrat foarte bine. Designuri elaborate de interioare nu au reusit sa opreasca jefuitorii de morminte sa patrunda inauntru si sa fure bunuri de inmormantare.

Timpul marilor piramide a trecut, desi piramidele mici au fost folosite ca morminte si in timpul Noului Regat. Exemple restaurate exista la Deir el-Medina, satul muncitorilor care au construit morminte regale in Valea Regilor.

Piramida de la Deir el Medina:

Piramide au fost construite si la sud de Egipt in Nubia antica (partea de nord a Sudanului de azi), unde exista chiar mai multe decat in Egipt. Desi au fost influentate de piramidele egiptene, piramidele din Nubia au stilul lor propriu si au fost construite pe o scara mai mica si cu laturile mai abrupte. In cazul unor piramide din Nubia, mormintele proprietarilor erau de obicei construite chiar sub ele. Ultima piramida a fost construita in Nubia, in secolul al 4-lea A.D.

marți, 21 ianuarie 2014

Optica

Un fenomen optic important se numeste refractia luminii . La trecerea dintr-un corp transparent-apa-in altul-aerul-raza de lumina se frange ! Fenomenul de schimbare a directiei de propagare a raelor de lumina care traverseaza suprafata de separare a doua corpuri transparente se numeste refractia luminii.

Unele lichide sun toxice sau corosive ! La orele de desen , cand ai bagat de seama ca pensula pare franta . Privind pietrisul de pe fundul unui lac cu apa clara , ai apreciat ca lacul are o anumita adancime . Dar masuranu-i adancimea cu ajutorul unei nuiele , ai constatat ca estimarea ta a fost gresita ! Lacul era mai adanc decat ai crezut tu . Nici una dintre razele de lumina care pleaca de la moneda nu va mai reusi sa iasa in aer , adica nu se va mai refracta . Razele de lumina se refrecta in totalitate pe suprafata , neacoperita de disc , a apei . Acest fenomen este numit reflexia totala . Inlocuin discul cu unul care are diametrul de cel mult doua ori mai mare decat adancimea apei , moneda poate fi observata din nou , deoarece razele ajung la suprafata apei mai putin inclinate fata de normala

Optica prin fibre de sticla

Cercetarile se efectueaza si in alte directii . In scop industrial se folosesc lampi speciale , al caror spectru e capabil sa porneasca anumite reactii chimice . Lampile infrarosii sunt folosite la accelerarea uscarii vopselelor , razele infrarosii si ultraviolete avnd utilizare si in medicina .

Se folosesc endoscoape cu lampi pentru a patrunde in corpul pacientului fara a produce rani superficiale mari si pentru a efectua pe aceasta cale interventii chirurgicale mici, ce necesita vizibilitate buna . Prin fibrele optice se pot lumina locuri imposibil de abordat cu lampi traditionale . In plus , prin laserul-fascicol luminos subtire , intens-situat la capatul fibrei optice din interiorul endoscopului se pot rezolva probleme organice interne . Laserul se foloseste in multe tratamente pe aceasta cale , de exemplu hemorolagiile gastrice de la nivelul ulcerelor pot fi oprite prin laser , indepartarea partilor nearozate ale creierului , anestezia centrilor durerosi sau sau arderea celulelor canceroase de la nivelul colului uterin . Fenomenele optice sunt partile fizicii care se ocupa cu studiul propietatilor lumini si cu cel al mecanismului vederii se numeste optica . Aristotel a dat o prima explicatie curcubeului (Amestecarea in nor a culorilor inchise cu cele deschise). Sfarsitul sec. XII-lea Aristotel a inventat ochelari . Inceputul sec.VII-lea inventarea lunetei in Olanda pe care pe care o perfectioneaza mai tarziu Galileo Galilei . O inportanta deosebita la dezvoltarea optici a avuto Isac Newton . In 1615 au aparut primele microscoape .

Mecanica

Isaac Newton a pus bazele teoretice ale mecanicii clasice,continuand opera lui Galileo Galilei.

Mecanica este ramura fizicii care se ocupa cu miscarea corpurilor materiale si cu fortele care determina miscarea.Cand impingem sau tragem un corp spunem ca exercitam o forta asupra lui.Forta de care ne dam seama, zi de zi, este forta de atractie gravitationala exercitata asupra fiecarui corp fizic de catre pamant.Ea este numita greutatea corpului.Fortele gravitationale pot actiona in spatiu de la distanta, fara contact direct.

Mecanica este impartita in trei parti:DINAMICA, CINEMATICA,STATICA

DINAMICA

Este partea mecanicii care include atat studiul miscarii cat si cel al fortelor care produc miscarea.In sens larg, dinamica include aproape toata mecanica.Acceleratia centrului de greutate al unui corp coincide cu acceleratia unui punct material de masa egala cu cea a corpului.Lega gravitationala a fost descoperita de NEWTON.Legea gravitatiei a lui NEWTON poate fi enuntata astfel:orice particula de materie din univers atrage orice alta particula cu o forta care este direct proportionala cu produsul maselor particulelor si invers proportionala cu patratul distantei dintre ele.

CINEMATICA

Este ramura mecanicii,in care pentru descrierea miscarii sunt folosite metode matematice fara a lua in calcul fortele si masele sistemului.Miscarea poate fi definita ca o modificare continua a pozitiei.Miscarea completa este cunoscuta daca stim cum se misca fiecare punct al corpului.Pozitia unui mobil este precizata prin proiectile lui pe cele trei axe ale unui sistem de coordonate ortogonale.Pe masura ce mobilul se misca de-a lungul unei traiectorii din spatiu, proiectile lui se misca in lungul celor trei axe.Miscarea rectilinie, este miscarea unui mobil in lungul unei drepte

STATICA

Este acea parte a mecanicii care trateaza cazurile particulare in care acceleratia este zero si studiul sistemelor de forte echivalente si al conditilor de echilibru.

ISAAC NEWTON a formulat principile fundamentale ale mecanicii clasice, care sunt admise ca postulate deoarece nu au putut fi dovedite pe cale toretica sau experimentala.

Termodinamica

Termodinamica se ocupă cu studiul macroscopic al fenomenelor, de orice natură, în care are loc un transfer de energie sub forma de căldură și lucru mecanic. Numele este derivat din limba greacă (θέρμη therme = căldură, δύναμις dynamis = forță) și a fost creat de lordul Kelvin care a formulat și prima definiție a termodinamicii. În germană termodinamica mai poartă și numele de Wärmelehre (teoria căldurii) creat de Rudolf Clausius in lucrările sale despre teoria mecanică a căldurii.
Termodinamica reprezintă în zilele noastre una din cele mai bine structurate logic ramuri ale fizicii. Născută la începutul secolului al XIX-lea din necesitatea practică de a optimiza randamentul motoarelor cu abur, termodinamica a devenit una din disciplinele clasice ale fizicii teoretice. Baza teoretică a termodinamicii o constituie un număr restrâns de principii, care sunt generalizări și abstractizări ale unor fapte experimentale. Caracterul general al acestor principii, care nu conțin ipoteze referitor la natura forțelor implicate sau la structura microscopică a sistemelor studiate, face ca metodele termodinamicii să fie aplicabile unei clase largi de fenomene. Operele lui Josiah Willard Gibbs au extins domeniul de preocupare al termodinamicii de la orientarea spre randamentul mașinilor termice către studiul caracteristicilor substanțelor și sistemelor. Câteva exemple, alese oarecum la întâmplare: proprietățile fluidelor și ale soluțiilor, echilibrul stărilor de agregare, polarizarea dielectrică și magnetizarea, radiația termică. Aplicațiile practice sunt și ele numeroase și variate, de la frigider și încălzire centrală la energie regenerabilă și prognoză meteorologică.
O abordare alternativă a fenomenelor termodinamice o reprezintă mecanica statistică. Pornind de la structura microscopică (molecule și atomi), luând în considerare interacțiunile (forțele) dintre aceste componente și folosind metode statistice (aplicabile sistemelor alcătuite dintr-un număr foarte mare de componente), mecanica statistică poate, prin intermediul unor calcule laborioase, să deducă (și prin aceasta să confirme) rezultatele obținute de termodinamică pe cale fenomenologică.
Există diverse incercări de axiomatizare a acestei discipline. Prima dintre ele a fost cea a lui Constantin Carathéodory publicată in 1909 intr-un periodic de matematică. Axiomatizarea lui Carathéodory a fost relativ ignorată de fizicieni datorită publicării intr-un periodic de matematică și nu a fost bine primită de Max Planck.
După accentul pus pe anumite domenii aplicative din termodinamica generală sau fundamentală se individualizează ramurile termodinamica sistemelor fizice, termodinamica sistemelor chimice și termodinamica tehnică.

Dilatare corpurilor:

Dilatarea termică este fenomenul fizic prin care dimensiunile (volumul, suprafața, lungimea) unui corp cresc în urma variației temperaturii. Fenomenul opus se numește contracție termică. Pentru majoritatea substanțelor creșterea temperaturii duce la creșterea dimensiunilor, dar există și excepții.
În funcție de starea de agregare a corpului, dilatarea se manifestă diferit. Astfel, un corp solid își mărește toate dimensiunile liniare în același raport, un lichid își mărește volumul (forma sa depinde de vasul care îl conține), iar un gaz își mărește fie presiunea, fie volumul, fie amîndouă, în funcție de incinta în care se află. Modificarea valorii volumului produce modificarea valoriidensității și în cazul amestecurilor a valorilor concentrațiilor raportate la volum ale componenților: concentrația molară și masică.
Coeficent de dilatare:
Pentru solide creșterea relativă a unei dimensiuni (raportul dintre variația dimensiunii și dimensiunea inițială) este proporțională cu creșterea temperaturii. Coeficientul de proporționalitate se numește coeficient de dilatare termică, o mărime de obicei pozitivă, a cărei unitate de măsură este inversul unității de măsură a temperaturii. Pentru polimeri (de exemplu materiale plastice) acest coeficient este de circa 10 ori mai mare decît pentru metale, care la rîndul lor au un coeficient mai mare decît al ceramicilor.
$\alpha_V = \frac{1}{V}\,\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p$
Se măsoară cu dilatometrul.
Dilatarea amestecurilor depinde de neidealitatea acestora prin intermediul mărimilor de exces.
$V = \sum (V_i + V_i^{E}) \iff n \hat{V} = \sum (n_i V_i^{0} + n_i \bar{V_i}^{E})$
unde Vi sunt volumele componenților puri iar ViE sunt sunt volumele exces ale componenților.
Prin derivare cu temperatura rezultă
$\frac{\partial V}{\partial T} = \sum_i \frac{\partial V_i}{\partial T} + \sum_i \frac{\partial V_i^{E}}{\partial T}$
sau considerând volumul exces funcție de coeficientul de activitate al unui component in amestec și substituind
$\bar{V^E}_i= RT \frac{\partial (ln(\gamma_i))}{\partial P}$
$\frac{\partial \bar{V^E}_i}{\partial T} = R \frac{\partial (ln(\gamma_i))}{\partial P} +RT {\partial^2\over\partial T\partial P} ln(\gamma_i)$
$\frac{\partial V}{\partial T} = \sum_i \frac{\partial V_i}{\partial T} + \sum x_i(R \frac{\partial (ln(\gamma_i))}{\partial P} +RT {\partial^2\over\partial T\partial P} ln(\gamma_i))$
Prin introducerea coeficientului de dilatare
$\alpha V= \sum_i \alpha_i V_i + \sum_i \alpha_i^{E} V_i^{E}$
$\alpha V= \sum_i \alpha_i V_i + \sum x_i(R \frac{\partial (ln(\gamma_i))}{\partial P} +RT {\partial^2\over\partial T\partial P} ln(\gamma_i))$
Legea lui Dalton:
Aerul utilizat în scufundare este aerul atmosferic comprimat în buteliile aparatului de respirat sub apă, cu ajutorul compresorului. Aerul atmosferic este un amestec natural de gaze.
Compoziția aerului exprimată prin procent volumic al componentelor este următoarea:

Oxigen (O₂): 20,93 %

Azot (N₂): 78,10 %

Argon (Ar): 0,9325 %

Bioxid de carbon (CO₂): 0,01 %

Hidrogen (H₂): 0,0018 %

Neon (Ne): 0,0005 %

Kripton (Kr): 0,0001 %

Xenon (Xe): 0,00000 %

Relatia lui Robert Mayer:

Căldura molară/ specifică a unui material este cantitatea de căldură necesară pentru a ridica cu un grad Celsius/Kelvin temperatura unui mol/gram din acel material. Între căldura molară măsurată la presiune constantă C_p și cea măsurată la volum constant C_v este o diferență deoarece o parte din căldura transmisă la presiune constantă (deci atunci când volumul își poate schimba valoarea) este folosită pentru a efectua lucru mecanic asupra exteriorului ca urmare a dilatării materialului.
Dacă materialul este un mol de gaz perfect, și deci are loc relația^[1]:
$pV = RT\,$ lucrul mecanic efectuat pentru creșterea volumului atunci când temperatura crește cu 1 grad (Kelvin/Celsius) este:
$\Delta L = p \Delta V = R \Delta T = R\,$ Aici R este constanta gazelor perfecte: R=8.317 J/mol/°K.
Deci, pentru un gaz perfect are loc relația lui Mayer:
$C_p - C_v = R\,$ Argumentul de mai sus folosește echivalența energiei mecanice cu cea calorică , în aceea că o parte din energia transmisă gazului sub formă de căldură se transformă în lucru mecanic, atunci când presiunea este menținută constantă. Faptul că diferite forme de energie se pot transforma una în cealaltă și sunt în acest sens echivalente a fost recunoscut la mijlocul secolului XIX deJulius Robert Mayer (1841) și de James Prescott Joule (1847). Acestea au fost primele formulări ale principiului întâi al termodinamicii. Relația de mai sus între C_p și C_v i-a permis lui J.R.Mayer și una din primele determinări ale echivalentului mecanic A al caloriei: în partea stângă a relației se găsesc mărimi calorice, măsurate în calorii/mol, în partea dreaptă o mărime care se poate măsura mecanic. Măsuratorile noi arată că:
A = 4.18 J/cal = 426 kgm/kcal. Lui Mayer i se atribuie rezultatul 425 kgm/kcal!

Principiul întâi al termodinamicii:

Principiul întâi al termodinamicii constituie o particularizare a legii conservării energiei la procesele în care intervine mișcarea termică a materiei, adică mișcarea dezordonată a unui număr mare de particule (atomi, molecule etc.).Transfer de energie:Energia unui sistem termodinamic este egală cu suma tuturor energiilor particulelor componente. Energia unui sistem se măsoară în raport cu un sistem de referință solidar cu sistemul termodinamic și cu originea în centrul de inerție al sistemului.
Ca urmare a interacțiunii dintre sistemul fizic și mediul exterior poate avea loc un transfer de energie. Acest transfer de energie se poate face cu sau fără variația parametrilor externi. În cazul în care interacțiunea are loc cu variația parametrilor externi, avem de-a face cu un proces mecanic sau cu o acțiune mecanică iar energia transferată se numește lucru mecanic. Un proces de interacțiune are loc și în alte situații când parametrii externi care variază sunt inducția electrică, inducția magnetică etc. Daca interacțiunea are loc fără variația parametrilor externi, transmiterea energiei se numește schimb de căldură, iar energia transmisă se numește căldură. Rezultă că deși lucrul mecanic și căldura au dimensiunile unei energii, ele nu sunt forme de energie, ci forme de schimb de energie și nu sunt echivalente. Lucrul mecanic este o forma macrofizică (ordonată) de transmitere a energiei de la un sistem la altul, în timp ce căldura este o forma microfizică (neordonată) de transmitere a energiei.
Aplicații ale principiului întâi al termodinamicii la gazele perfecte. Capacități termice ale gazelor.Se numește capacitate termică C a unui sistem într-un anumit proces considerat și la o anumită temperatură căldura necesară pentru a ridica cu un grad temperatura sistemului, fără schimbarea stării de agregare.
$C = \lim_{t \to t_0} \frac {\Delta\ Q} {t - t_0} = \frac {dQ} {dT}$
Unitatea de măsură a lui C în Sistemul Internațional de unități este J/K.
Capacitatea termică raportată la unitatea de masă dintr-o substanță omogenă se numește capacitate termică masică, iar cea raportată la unitatea de volum capacitate termică volumică. Vechea denumire de căldură specifică este ambiguă și nerecomandată.
$c = \frac{C}{m}$      J/(kg K)respectiv
$c = \frac{C}{V}$      J/(m³ K).Capacitatea termică kilomolară, folosită mai ales la gaze, reprezintă capacitatea termică a unui kilomol de gaz și se măsoară în J/(kmol K).
Deoarece cantitatea de căldură nu este o funcție de stare, valoarea capacității termice va depinde felul transformărilor prin care trece sistemul.
În fizică cele mai folosite sunt căldurile molare la volum constant (C_v) și la presiune constantă (C_p) care se definesc prin cantitatea de căldură necesară încălzirii cu un grad a unui mol de gaz când se menține constant volumul, respectiv presiunea.
Energia internă a unui gaz este, în general, o funcție atât de T cât și de V și prin urmare:
$dU = \left ( \frac{\partial U}{\partial T} \right )_V dT + \left ( \frac{\partial U}{\partial V} \right )_T dV$
Dacă se consideră o transformare la volum constant ( $dV = 0 \$ ), $\delta L = 0 \,$    rezultă:
$\left ( \delta Q \right )_V = dU = \left ( \frac{\partial U}{\partial T} \right )_V dT$
Conform definiției, capacitatea termică molară la volum constant va fi:
$C_v = \left ( \frac{\partial Q}{\partial T} \right )_V = \left ( \frac{\partial U}{\partial T} \right )_V$
În mod analog capacitatea termică molară la presiune constantă este dată de relația:
$C_p = \left ( \frac{\delta\ Q}{dT} \right )_p = \left ( \frac{\partial U}{\partial T} \right )_V + \left [ \left ( \frac{\partial U}{\partial V} \right )_T + p \right ] \left ( \frac{\partial V}{\partial T} \right )_p$
Din relațiile de mai sus rezultă legătura dintre căldurile la volum și respectiv presiune constantă:
$C_p - C_v = \left [ \left ( \frac{\partial U}{\partial V} \right )_T + p \right ] \left ( \frac{\partial V}{\partial T} \right )_p$
Pentru un gaz perfect energia internă depinde numai de temperatură $U = U(T) \,$ ; aceasta se explică prin aceea că volumul ocupat de moleculele și interacțiunile dintre ele pot fi neglijate. Ca urmare, ținând cont și de ecuația de stare pV = RT (scrisă pentru un mol de gaz) se obține:
$C_p - C_v = p \left ( \frac{\partial V}{\partial T} \right )_p = R$
relație cunoscuta sub denumirea de relația lui R. Mayer.
Daca se ține cont de expresia energiei interne a unui mol de gaz perfect $U = \frac{i}{2} RT$ , unde i este numărul gradelor de libertate, atunci:
$C_v = \left ( \frac{\partial U}{\partial T} \right )_v = \frac{i}{2} R$
$C_p = C_v + R = \frac{i+2}{2} R$
Un rol important în descrierea comportării gazelor îl joacă raportul dintre căldura molară la presiune constantă și căldura molară la volum constant:
$k = \frac{C_p}{C_v} = \frac{i+2}{i}$
Acest raport este denumit exponent adiabatic și pentru gaze perfecte are urmatoarele valori:

gaze monoatomice: $k = \frac{5}{3} = 1,66$ (He, Ne, Ar, Kr ...)

gaze biatomice: $k = \frac{7}{5} = 1,4$ (N₂, O₂ ...)

gaze tri sau poliatomice: $k = \frac{4}{3} = 1,33$ (H₂O, NH₃, CH₄ ...)

Principiul al doilea al termodinamicii:

Principiul al doilea al termodinamicii precizează condițiile în care are loc transformarea energiei termice în energie mecanică. El are un caracter calitativ, arată sensul în care se produc spontan transformările, fără să se refere la cantitățile de energie schimbate. El este o particularizare a principiului general al schimburilor de energie, conform căruia transformările spontane de energie se realizează de la potențialul mai înalt spre potențialul mai scăzut.

Procese reversibile și ireversibile:

Dacă principiul întâi al termodinamicii a fost un precursor al legii conservării energiei în domeniu proceselor termice, cel de al doilea principiu al termodinamicii a fost formulat ca o lege specifică proceselor termice. Cel de-al doilea principiu al termodinamicii reprezintă o generalizare a rezultatelor experimentale legate de funcționarea mașinilor termice.Principiul întâi al termodinamicii pune în evidență echivalența cantitativă dintre căldură și lucru mecanic, însă el nu face nicio referire la direcția de desfășurare a proceselor termodinamice.Se spune că un proces de trecere dintr-o stare inițială 1 într-o stare finală 2 este reversibil, dacă este posibilă revenirea în starea inițială 1 astfel încât la această stare a sistemului considerat și starea sistemelor înconjurătoare să fie identică cu starea lor inițială. Dacă la revenirea sistemului considerat în starea inițială 1, starea sistemelor înconjurătoare diferă de starea lor inițială, atunci procesul este ireversibil.

Ciclul Carnot:

Articol principal: Ciclul Carnot.Descoperirea principiului al doilea al termodinamicii a fost legată de îmbunătățirea mașinilor termice.Ciclul Carnot a fost propus de inginerul francez Sadi Carnot în scopul îmbunătățirii randamentului motoarelor termice. Este un ciclu teoretic, alcătuit din două transformări adiabatice și doua transformări izoterme. Motorul imaginat de Carnot folosea drept agent termic gaz perfect ce suferea transformări cvasistatice.
$Q_{cedat} = Q_{primit} \,$

Temperatura termodinamică:

Studiul ciclului Carnot permite, printre altele, definirea temperaturii termodinamice absolute. Dacă parcurgerea ciclului este reversibilă, din expresia randamentului ciclului Carnot reiese ca raportul Q_cedat / Q_primit rămâne constant și independent de natura substanței de lucru, dacă mașina lucrează între aceleași temperaturi T și T₀.

Formularea principiului al doilea al termodinamicii:

Formularea lui Carnot:

Studiind randamentul mașinilor termice ce funcționează după un ciclu format din două izoterme și două adiabate, Sadi Carnot a formulat următoarele teoreme:

Teorema I. Randamentul unei mașini termice reversibile depinde numai de temperatura sursei calde și a sursei reci și nu depinde de natura substanței de lucru.

Teorema II. Randamentul unei mașini termice ireversibile este întotdeauna mai mic decât randamentul unei mașini termice care funcționează reversibil între aceleași limite de temperatură.

Daca ambele mașini, atât cea reversibilă cât și cea ireversibilă primesc de la sursa caldă aceeași cantitate de caldura Q și cedează sursei reci cantitatea de căldură Q₀, respectiv Q₀', rezultă că randamentul mașinii reversibile va fi:
$\eta = \frac {Q - \left | Q_0 \right |}{Q} = \frac{T - T_0}{T} = 1 - \frac {T_0}{T}$
iar al mașinii ireversibile este:
$\eta '=\frac {Q - \left |Q_0 \,' \right |}{Q} < \frac {Q - \left | Q_0 \right |}{Q}$
Cele două teoreme ale lui Carnot pot fi scrise sub forma
$\frac {Q - \left |Q_0 \,' \right |}{Q} \le \frac{T - T_0}{T}$
Semnul egal se referă la ciclul reversibil iar semnul < la cel ireversibil.

Formularea lui W. Thomson (lord Kelvin):

Este imposibilă construirea unui perpetuum mobile de speța a doua (adică a unei mașini termice care ar transforma periodic, fără compensație căldura unui corp oarecare în lucru mecanic). Cu alte cuvinte este imposibil ca o mașină termică să funcționeze numai cu o singură sursă termică. Din principiul al doilea al termodinamicii rezultă că dacă lucrul mecanic se poate transforma integral în căldură, inversul nu este posibil. Din această cauză fenomenele naturale sunt ireversibile și decurg într-un singur sens. De această formulare este legat cunoscutul paradox aldemonului lui Maxwell.

Formularea lui Ostwald:

Formularea lui Clausius:

Într-un proces arbitrar, căldura trece de la sine doar de la corpurile cu temperatură mai mare la corpurile cu temperatură mai mică. Cu alte cuvinte, fără cheltuială de lucru mecanic este imposibil să se treacă căldură de la un corp mai rece la un corp mai cald.

Formularea lui Planck:

Formularea lui Caratheodory:

În orice vecinătate a unei stări arbitrare a unui sistem termodinamic în stare de echilibru există stări care nu pot fi atinse prin procese adiabatice. Formularea lui Caratheodory sugerează existenta unei funcții de stare a cărei valoare este constantă pentru transformările adiabatice reversibile. Această funcție de stare se numește entropie empirică și este notată cu s. Entropia empirică se modifică în toate procesele care au loc cu schimb de caldură. Căldura infinitezimală schimbată de sistem poate fi scrisă sub forma:

$dQ = T\ ds$

Motorul Otto:

Figura din stânga prezintă principalele părţi componente ale unui motor cu adere internă, în 4 timpi, cu aprindere prin scânteie electrică. În continuare le voi descrie pentru a se înţelege despre ce e vorba.Supape- Au rolul de a deschide şi închide orificiile prin care se realizează admisia combustibilului în cilindru şi evacuare gazelor arse. Supele execută o mişcare de translaţie, fiind comandate de camele de pe axul cu came (ca în animaţia alăturată, unde axul cu came are culoarea verde)
În timpul 1 se deschide supapa de admisie, iar în timp ce pistonul se deplasează înspre punctul mort inferior, în cilindru este absorbit amestecul de vapori de benzină şi aer (realizat în carburator) datorită depresiunii formate. Timpul 2- CompresiaDupă ce pistonul a ajuns în punctul mort inferior, supapa de admisie se închide. Supapa de evacuare este şi ea închisă. În deplasarea pistonului înspre punctul mort superior, acesta comprimă amestecul din cilindru până la o rată de 9:1.
La sfârşitul compresiei, când pistonul a ajuns la punctul mort superior şi ambele supape sunt închise, se produce o scânteie electrică între electrozii bujiei. Scânteia aprinde amestecul carburant care începe să ardă progresiv. Temperatura rezultată este de circa 2000°C şi presiunea de aproximativ 25 atm. Gazele produc o forţă mare de apăsare asupra pistonului împingâdu-l spre punctul mort inferior. Pe măsură ce pistonul coboară, gazele se destind - are loc detenta. Acum este singurul moment când se produce lucru mecanic.
Supapa de admisie este închisă, iar cea de evacuare este deschisă, permiţând gazelor arse din cilindru să fie împinse afară din cilindru de pistonul care se deplasează de la punctul mort inferior spre punctul mort superior.Graficul alăturat, prezintă schema de funcţionare a motorului Otto, în coordonatele presiune (P) şi volum (V). Motorul Diesel:

(1)

Nikolaus August Otto s-a născut în anul 1832 în localitatea Holzhasen din Germania. A absolvit cursurile politehnice, obţinând diploma de inginer. În 1867, împreună cu inginerul Eugen Langen (1833-1895), Otto a construit un motor termic cu ardere internă, cu piston în patru timpi, care folosea combustibil gazos.
În anul 1878, Nikolaus Otto, a pus la punct un motor în 4 timpi alimentat cu combustibil lichid (benzină) cu un randament de 22%. O contribuţie însemnată la perfecţionarea motorului cu ardere internă, cu aprindere prin scânteie electrică, au adus-o inventatorii germani Karl Benz şi Gottlieb Daimler, care au realizat primele automobile acţionate cu astfel de motoare. Nikolaus August Otto a murit în anul 1891, la Koln.Componentele motorului Otto

Cilindrul- Reprezintă componenta în care culisează pistonul. Motorul descris aici are un singur cilindru, dar majoritatea motoarelor au mai mulţi cilindrii (4, 6 sau 8). Motoarele, dacă au mai mulţi cilindrii, pot fi: în linie, în V sau opuşi orizontal (boxer), ca în figură:

În funcţie de configuraţie, diferă nivelul vibraţii şi zgomot, costul de fabricare şi caracteristicile ce le fac mai potrivite sau nu pentru anumite tipuri de autovehicule.Pistonul- Este o piesă din mecanismul bielă-manivelă, confecţionat din aliaj de aluminiu, turnat, având formă cilindrică, care culisează în cilindru.
Segmenţii- Sunt inele elastice, montate pe piston în canale executate pe suprafaţa cilindrică exterioară a pistonului, care au următoarele roluri:
a)   de a proteja ceilalţi segmenţi în momentul exploziei (segment de foc)
b)   de etanşare a jocului dintre cilindru şi piston
c)   de ungere şi radere (raclare) a uleiului depus pe peretele interior a cilindrului.
Bujia- Piesă componentă a unui motor cu aprindere prin scânteie care serveşte la aprinderea amestecului carburant în cilindru prin producerea unei scântei electrice între doi electrozi la un moment bine stabilit.

Camera de ardere- Reprezintă locul unde are loc compresia şi arderea amestecului de aer cu combustibil. Camera de ardere îşi schimbă volumul odată cu mişcarea pistonului. Capacitatea camerei de ardere oferă de obicei o idee asupra puterii motorului.
Biela- Este de forma unei tije sau a unei bare. Face legătura dintre piston şi arborele cotit. Ea este legată articulat la ambele capete de piston şi respectiv braţul arborelui cotit, astfel încât, împreună cu arborele cotit, transformă mişcarea alternativă de translaţie a pistonului în mişcarea de rotaţie a arborelui cotit.
Arborele cotit- El este cel care, împreună cu biela, transformă mişcarea de translaţie care vine de la piston, într-o mişcare circulară.
Timpii de funcţionare   Timpii de funcţionare ai unui motor cu ardere internă şi aprindere prin scânteie sunt:1-   Absorbţia
2-   Compresia
3-   Aprinderea

4- Evacuarea

Timpul 1- Absorbţia

Timpul 3-Aprinderea

Timpul 4- Evacuarea

Ciclul de funcţionare al motorului Otto

   Timpul 1- AspiraţiaA›1 aspiraţie izobară (P₁=constant= presiunea atmosferică)
   Timpul 2- Compresia
1›2 compresie adiabatică a amestecului   Timpul 3- Aprinderea2›3 aprindere izocoră (V₂=constant)3›4 detentă adiabatică4›1 destinderea izocoră (se destinde gazul prin deschiderea       supapei de evacuare, pistonul fiind la punctul mort inferior, V₁=constant)   Timpul 4- Evacuarea1›A evacuare izobară (gazul este eliminat prin supapa de evacuare cu ajutorul pistonului la P₁=constant= presiunea atmosferică)
Motorul diesel:În 1897, germanul Rudolf Diesel a realizat un motor mai eficient decât cel al lui Otto, comprimând doar aer (neamestecat cu combustibil). Este evitată astfel autoaprinderea combustibilului, iar raportul de compresie poate fi mărit foarte mult.Combustibilul este introdus în cilindrul motorului doar la sfârşitul compresiei, aprinzându−se în contact cu aerul suficient de fierbinte.Arderea combustibilului este mai lentă, făcându−se pe măsură ce acesta pătrunde în cilindru. Transformarea este aproape o izobară (figura 2−1).

Figura 2-1. Ciclul termodinamic al motorului Diesel. Provocarea 2-1Cât este oare randamentul ciclului Diesel?
Poţi calcula randamentul oricărui ciclu termodinamic folosind cea mai convenabilă variantă a expresiei:

Două dintre transformările ciclului Diesel sunt adiabate, astfel încât sistemul schimbă căldură cu mediul doar în celelalte două transformări. Cea de−a doua variantă este mai convenabilă − vei fi nevoit să exprimi doar două cantităţi de căldură.
În timpul transformării izobare 2→3, datorită arderii combustibilului, gazul primeşte cantitatea de căldură:

În timpul transformării izocore 4→1, datorită deschiderii supapei de evacuare, gazul se răceşte brusc, cedând cantitatea de căldură:

Astfel, expresia randamentului ciclului Diesel devine:
Temperaturile atinse în timpul ciclului nu sunt independente. Din ecuaţia compresiei adiabatice 1→2, obţii:

unde  este raportul de compresie al motorului.
Din ecuaţia transformării izocore 2→3, obţii:

unde  este raportul de destindere izobară.
Din ecuaţia destinderii adiabatice 3→4:

rezultă

Astfel,

Folosind în relaţia (1) expresiile prelucrate ale temperaturilor, expresia finală a randamentului ciclului Diesel este:

Motoarele Diesel funcţionează cu randament mai mare decât cele Otto şi pot utiliza combustibili mai ieftini (cum este motorina), neexistând pericolul autoaprinderii în timpul compresiei.
Cu toate acestea, motoarele Diesel prezintă dezavantajul unei funcţionări mai lente − arderea combustibilului se face treptat, pe măsura introducerii acestuia în cilindru. Aceasta conduce la motoare mai masive, la aceeaşi putere dezvoltată (putere specifică mică).
Motoarele moderne funcţionează după o combinaţie a ciclurilor Otto şi Diesel, păstrând parte din avantajele fiecăruia: randamente ridicate şi puteri specifice mari (figura 2−2).
Motorul Diesel aspiră aer, îl comprimă şi apoi este injectată motorina care se aprinde.·       Motorul Otto aspiră un amestec de benzină şi aer, îl comprimă şi îl aprinde cu o scânteie electrică.
Diferenţele dintre motoarele Diesel şi Otto·       Motorul Otto foloseşte o rată de compresie ce variază între 8:1 şi 12:1.
Motorul Diesel foloseşte o rată de compresie mult mai mare şi anume 14:1 până la 25:1.·       Motorul Otto foloseşte un carburator unde este amestecată benzina cu aerul, sau o pompă de injecţie (carburantul nu este injectat direct în cilindru).
Motorul Diesel foloseşte injecţie directă, în care combustibilul este injectat direct în cilindru.Transformari de faza:Aprecierea asupra starii de agregare a materiei se face in conditii normale de temperatura si presiune (T= 293 K, p = 1 atm), insa o substanta poate exista in toate cele trei stari de agregare, in functie de conditiile de temperatura si presiune la care este supusa. Trecerea dintr-o stare de agregare in alta se numeste transformare de faza.In figura 3.1. este prezentata diagrama de stare si procesele care apar cand au loc transformarile de faza.            Punctul triplu (PT) – reprezinta punctul in care coexista toate cele trei stari de agregare, in echilibru dinamic  fiind caracterizat de o anumita temperatura si presiune, specifice substantei respective.            Punctul critic (PC) – este punctul peste a carui temperatura gazul nu mai poate fi lichefiat, indiferent cat de mult ar creste presiunea.            Un sistem material poate fi constituit din mai multe componente, fie in aceeasi stare de agregare, fie in stari diferite. Daca mediul este continuu, fara zone separate, sistemul este monofazic. Cand in sistem exista zone de discontinuetate, sistemul este polifazic, iar suprafata de separatie dintre doua zone se numeste interfata.