NOTIUNI DE FIZICA SI CHIMIE PENTRU POMPIERI

Editat de col. ing. Pompiliu Balulescu, ing. Vasile Calinescu, ing. Corneliu Iorgulescu si ing. Valeriu MacrisComandamentul Pompierilor Bucuresti 1971

CUPRINS

PARTEA I CALDURACapitolul INotiuni fundamentale

1. Definitia caldurii. Temperatura pag. 52. Producerea si masurarea caldurii pag. 53. Caldura specifica a corpurilor pag. 64. Puterea calorifica pag. 75. Sarcina de incendiu pag. 86. Termometria (masurarea temperaturilor) pag. 97. Termometre pag. 108. Procedee speciale de masurare a temperaturii pag. 109. Scari termometrice pag. 1110. Calorimetria. Principii calorimetrice pag. 12

Capitolul IISchimbarea starii de agregare a corpurilor

1. Topirea si vaporizarea pag. 132. Legile transformarilor de stare a corpurilor pag. 143. Cazuri particulare de transformare a starii de agregare pag. 144. Lichefierea si solidificarea pag. 155. Simboluri, formule, unitati de masura pag. 156. Aplicatii in protectia contra incendiilor pag. 16

Capitolul IIIDilatarea corpurilor

1. Dilatarea liniara pag. 162. Aplicatii ale dilatatiei pag. 183. Releul termic cu lama bimetalica pag. 184. Detectoare termice pag. 18

Capitolul IVLegile gazelor

1. Generalitati pag. 192. Legea Boyle-Mariotte pag. 193. Legea Gay Lusac (legea incalzirii gazelor la presiune constanta) pag. 204. Legea lui Charles (legea incalzirii gazelor sub volum constant) pag. 205. Teoria cinetico-moleculara a gazelor pag. 216. Legea gazelor perfecte pag. 227. Ecuatia gazelor perfecte in functie de temperatura absoluta pag. 238 . Gaze reale pag. 23

Capitolul VTransmiterea caldurii

1. Generalitati pag. 242. Transmiterea caldurii prin conductie pag. 243. Transmiterea caldurii prin convectie pag. 264. Transmiterea caldurii prin radiatie pag. 265. Cazul general de transmitere a caldurii pag. 27

Capitolul VIProducerea si utilizarea caldurii

1. Cazanul de abur pag. 282. Turbina cu abur pag. 293. Termoficare pag. 294. Motorul cu ardere interna pag. 295. Compresorul pag. 30

PARTEA A DOUAELECTRICITATEA

Capitolul VIIElectrostatica

1. Obiectul electrostaticii pag. 302. Izolanti si conductori pag. 313. Explicarea fenomenelor de electrizare pag. 314. Felurile electrizarii pag. 325. Legea lui Coulomb pag. 326. Distributia electricitatii pe conductori pag. 337. Campul electric pag. 338. Potentialul electric pag. 349. Capacitatea electrica pag. 3410. Condensatorul electric pag. 3511. Electricitatea atmosferica pag. 3512. Electricitatea statica in industrie pag. 36

Capitolul VIIIElectrodinamica

1. Curentul electric pag. 382. Forta electromotoare. Tensiunea electrica. Diferenta de potential pag. 383. Intensitatea curentului electric pag. 394. Rezistenta electrica pag. 395. Legile curentului electric

a) Legea lui Ohm pag. 40b) Legile lui Kirchof pag. 40c) Legea lui Joule-Lenz pag. 41

6. Energia electrica si puterea pag. 427. Efectele curentului electric pag. 428. Pericolul de incendiu prezentat de curenti electrici

a) Scurtcircuitul pag. 44b) Arcul electric pag. 44

9. Aparate de protectiea) Sigurante electrice pag. 44b) Intrerupatoare automate pag. 46

10. Corpuri de iluminat pentru diferite medii pag. 4711. Curentul electric in electroliti

a) Electroliza pag. 47b) Pile electrice pag. 48c) Termoelemente pag. 49

12. Acumulatoarea) Descriere-functionare pag. 49b) Pericolul de explozie pe timpul incarcarii acumulatoarelor pag. 50

13. Ionizarea gazelor pag. 5114. Semiconductori pag. 5115. Detectoare de incendiu pag. 51

Capitolul IXElectromagnetismul

1. Magnetismul pag. 522. Electromagneti pag. 543. Relee electrice pag. 544. Inductia electromagnetica pag. 545. Elemente principale de automatizare

a) Traductoare pag. 55b) Organe de executie si reglare pag. 55

Capitolul XMasini electrice

1. Generalitati pag. 562. Masini de curent alternativ pag. 563. Masini de curent continuu pag. 584. Deosebirea dintre curentul continuu si curentul alternativ pag. 585. Transformatoare si redresoare pag. 596. Deranjamente la masini si aparate electrice care genereaza pericolul de explozie si incendiu pag. 60

Capitolul XIUnde electromagnetice si unde radio

1. Unde electromagnetice pag. 612. Unde radio pag. 623. Circuite electrice oscilante pag. 62

4. Antene si propagarea undelor radiofonice pag. 63

Capitolul XIIElectrocutarea pag. 64

PARTEA A TREIAREZISTENTA MATERIALELORCapitolul XIIIComportarea materialelor sub actiunea fortelor

1. Obiectul rezistentei materialelor pag. 672. Fortele care actioneaza asupra constructiilor pag. 673. Eforturi unitare pag. 684. Deformatii pag. 685. Relatia dintre eforturile unitate si deformatii pag. 696. Comportarea materialelor sub actiunea statica a fortelor pag. 697. Elasticitatea pag. 708. Plasticitatea pag. 71 9. Factorii de care depind caracteristicile mecanice ale materialelor pag. 7110. Ecruisarea pag. 7111. Comportarea materialelor in timp pag. 7112. Ruperea pag. 7213. Clasificarea materialelor dupa proprietatile lor mecanice pag. 7214. Disiparea energiei. Lucrul mecanic de deformatie pag. 7215. Comportarea materialelor la solicitari dinamice pag. 7316. Conditii pe care trebuie sa le indeplineasca elementele de constructie pag. 7317. Efortul unitar admisibil. Coeficienti de siguranta pag. 74

Capitolul XIVPrincipalele materiale utilizate in constructii

1. Metale folosite in constructii pag. 752. Lemnul. Produsele industriale fabricate din lemn pag. 763. Betonul. Materiale folosite in constructiile din beton simplu, beton armat si beton precomprimat pag. 774. Materiale pentru zidarii pag. 785. Materiale pentru invelitori pag. 786. Materiale din polimeri pag. 797. Materiale pentru izolatii si finisaje pag. 79

Capitolul XVComportarea la foc a materialelor si elementelor de constructie dupa comportarea la foc

1. Clasificarea materialelor si elementelor de constructie dupa comportarea la foc pag. 802. Transmiterea caldurii in elementele de constructie in timpul incendiului pag. 803. Variatia caracteristicilor mecanice ale materialelor la temperaturi inalte pag. 814. Studiul experimental al comportarii la foc. Metode de incercare a materialelor si elementelor de constructie pag. 81

PARTEA A PATRACHIMIACapitolul XVIProcese de oxidare si arderi

1. Oxidarea pag. 832. Arderea pag. 843. Aprinderea pag. 864. Autoaprinderea pag. 865. Inflamarea pag. 876. Autoinflamarea pag. 877. Explozia pag. 878. Detonatia pag. 88

Capitolul XVIIReactii chimice

1. Ecuatii si formule chimice pag. 882. Echilibrul termodinamic pag. 893. Cinetica reactiei pag. 904. Catalizatori pag. 91

Capitolul XVIIIProcese chimice cu pericol de incendiu

1. Procese de descompunere termica pag. 922. Procese de oxidare pag. 943. Procese de hidrogenare pag. 96

4. Procese de halogenare pag. 975. Procese de nitrare pag. 986. Procese de sulfonare pag. 997. Procese de polimerizare pag. 998. Procese de alchilare pag. 101

Capitolul XIXSubstante explozive

1. Generalitati pag. 1022. Clorati pag. 1023. Azotat de amoniu pag. 103

Capitolul XXPulberi metalice

1. Pulberea de aluminiu pag. 1052. Pulberea de zinc pag. 1063. Pulberea de fier pag. 107

Capitolul XXIIgnifugarea pag. 108

Capitolul XXIIAgenti de stingere

1. Apa (H2O) pag. 1082. Apa usoara pag. 1093. Apa imbunatatita chimic pag. 1094. Aburul pag. 1095. Spume pentru stingerea incendiilor

a) Spuma chimica pag. 110b) Spuma mecanica pag. 110c) Spuma cu coeficient mare de infoiere pag. 110

6. Gaze inertea) Bioxidul de carbon pag. 111b) Azotul pag. 111

7. Pulberi stingatoare pag. 1128. Hidrocarburi halogenate pag. 112

Capitolul XXIIISubstante toxice

1. Oxidul de carbon pag. 1132. Bioxidul de carbon pag. 1143. Clorul pag. 1144. Acidul cianhidric pag. 1145. Hidrogenul sulfurat pag. 1156. Amoniacul pag. 1157. Oxizii de azot pag. 1158. Fosgenul pag. 1159. Hidrocarburi halogenate pag. 11610. Fumul pag. 116

PARTEA I

CALDURA

Capitolul I

Notiuni fundamentale

1. Definitia caldurii. Temperatura

Focul, una din cele mai vechi descoperiri ale omului, elementul care a insotit necontenit progresul umanitatii, devine deseori un factor de distrugere, aducator de nenorociri. Pentr a putea preveni si combate cu succes dezlantuirea fortelor potrivnice, este necesar sa fie cunoscute o serie de notiuni si manifestari, caracteristice proceselor termice.

Spre deosebire de alte domenii ale fizicii care sunt mai putin accesibile, fenomenele legate de caldura sunt usor sesizabile, ele constituind o prezenta cotidiana in viata omului. Chiar daca nu se intuieste cu exactitate sensul lor fizic, notiunile de caldura, temperatura, fierbere etc. intra in vocabularul uzual, fiind folosite destul de corect de majoritatea oamenilor.

Se impune insa o sistematizare a cunostintelor deja existente si, in acelasi timp, completarea acestora cu altele noi pentru a facilita intelegerea fenomenelor fizice care insotesc incendiul.

Caldura este o forma de energie, o manifestare a starii de agitatie mecanica a moleculelor si atomilor unui corp.In mod absolut nu putem sesiza cu simturile noastre existenta cantitativa a acestei forme de energie, dar ne putem

da seama de efectul ei in mod relativ, prin variatia temperaturii unui corp.Notiunile cald si rece ne sunt familiare si, prin urmare, se poate construi un sistem logic de cunostinte pornind

de la anumite elemente concrete legate de aceste notiuni.Studiul caldurii si al transformarilor sale a inceput printr-o observatie atenta asupra naturii. Astfel, oamenii au

putut constata ca topirea unei bucati de gheata se produce intotdeauna la o aceeasi stare termica, adia este tot atat de cald sau tot atat de rece ori de cate ori se topesc gheturile. Acceasi observatie este valabila si la fierberea apei.

Pentru a putea caracteriza gradul de incalzire a unui corp a fost necesar sa se adopte o notiune noua, aceea de temperatura a fost necesar sa se adopte o notiune noua, aceea de temperatura.

Intrucat cele doua strazi ale apei, mentionate mai sus rece ca gheata si in stare de fierbere apar intotdeauan in aceleasi conditii de temperatura, ele au fost alese drept etaloane pentru gradul de incalzire. Intervalul intre temperatura la care se topeste gheata si cea la care fierbe apa, a fost divizat in mod conventional, in 100 de parti. O asemenea fractiune de temperatura a primit denumirea de grad Celsius. Modul cum a fost stabilita practic aceasta unitate de masura va fi expus detaliat mai tarziu.

Retinem deocamdata ca:- temperatura este marimea fizica ce caracterizeaza gradul de incalzire al unui corp si, - gradul Celsius (C) este o unitate de masura a temperaturii, aleasa in mod conventional; el reprezinta 1/100 din

intervalul de temperatura situat intre punctul de topire al ghetii (considerat 0C) si punctul de fierbere al apei (considerat 100C).

2. Producerea si masurarea caldurii

Pentru activitatea de prevenire si stingere a incendiilor este foarte important sa fie cunoscute principalele moduri de producere a caldurii si, in special, conditiile de acumulare a energiei termice, factorul de baza in crearea unui focar de incendiu.

Distingem mai multe categorii de fenomene care pot favoriza aparitia unei concentrari de energie termica:- Reactiile termice exoterme, avand ca exponent principal reactiile de ardere (de oxidare), constituie cea mai

frecventa cale de producere a caldurii si implicit cea mai raspandita cauza de incendiu. Putem diferentia reactii exotermice lente in care acumularea de caldura se produce intr-un timp mai indelungat sau reactii violente cu puternica degajare de caldura si lumina intr-un interval foarte scurt.

- Trecerea curentului electric prin rezistente este insotita de aparitia unei anumite cantitati de caldura a carei valoare depinde de caracteristicile circuitului si ale curentului. Efectul caloric al curentului electric este tratat in mod detaliat in partea a II a.

- Transformarea lucrului mecanic prin frecare este insotita de asemenea de degajarea unei cantitati de caldura direct proportionala cu forta de frecare, cu timpul si cu viteza relativa a suprafetelor de contact. Acest fenomen se afla la originea a numeroase incendii izbucnite la transmisiile cu curele, la lagare de alunecare sau la diverse instalatii unde se freaca piese din materiale combustibile.

Racirea unui corp cald, care se face prin cedare de caldura, poate duce la cresterea unui focar de incendiu in vecinatate, in masa unor materiale a caror temperatura de aprindere este inferioara temperaturii corpului care se raceste. Spre exemplu, o piesa scoasa de la forja, avand temperatura de cateva sute de grade, poate provoca aprinderea unui material combustibil peste care piesa ar fi aruncata.

Radiatia solara, consecinta a unor puternice reactii termonucleare, constituie cea mai importanta sursa de caldura, la scara sistemului solar. In anumite conditii radiatia solara poate determina aparitia unui incendiu.

O serie de alte fenomene fizice, cum ar fi condensarea si solidificarea, sunt insotite de eliberarea unei cantitati importante de caldura, dar acestea nu prezinta importanta din punctul de vedere al protectiei contra incendiilor.

Pericolul de incendiu apare atunci cand exista o puternica degajare de caldura, intr-un timp scurt si intr-un volum restrans, fapt care nu permite raspandirea ei in spatiul inconjurator, favorizand crearea unor puncte calde, cu potential termic ridicat, care pot provoca aprinderea substantelor.

Pentru a putea compara cantitatile de caldura produse in cursul diverselor transformari fizico-chimice este necesar sa se stabileasca o unitate pentru masurarea caldurii.

Cantitatea de caldura, fiind o marime care masoara variatia energiei interne a unui corp, se va masura cu aceleasi unitati ca si energia, adica in joule (in sistemul international S.I.).

Trebuie mentionat ca folosirea unitatilor de energie mecanica la masurarea caldurii a fost introdusa relativ recent. Pana acum cativa ani, cantitatea de caldura se exprima in calorii, respectiv kilocalorii.

Prin definitie, caloria este cantitatea de caldura necesara unui gram de apa distilata pentru a-si ridica temperatura cu un grad Celsius, de la 19,5 la 20,5C, la presiunea normala.

Mentionam ca aceasta unitate nu face parte integranta din sistemul de unitati international, ea fiind o unitate tolerata.

Intre unitatatea tolerata pentru masurarea caldurii (caloria cal.) si unitatea de energie mecanica (joule J) exista urmatoarea relatie de echivalenta:

1 cal = 4,1855 J.

In practica mai pot fi intalnite si unitati multiplu ale caloriei: kilocaloria (kcal), megacaloria (Mcal), gigacaloria (Gcal) si teracaloria (Tcal).

1 kcal = 1000 cal.1 Mcal = 106 cal.1 Gcal = 109 cal.1 Tcal = 1012 cal.

3. Caldura specifica a corpurilor

Experimental s-a constat ca pentru a ridica cu acelasi numar de grade temperatura unor mase egale de corpuri diferite, sunt necesare cantitati diferite de caldura, adica unele corpuri se incalzesc mai usor, altele mai greu.

Daca vom ceda aceeasi cantitate de caldura unui cub de otel si unuia de aluminiu, avand acceasi masa, se observa ca, dupa un anumit interval, temperatura aluminiului este mai ridicata decat cea a otelului.

S-a stabilit ca fiecare corp poseda o constanta fizica ce caracterizeaza comportarea sa atunci cand primeste sau cedeaza caldura. Aceasta constanta a primit denumirea de caldura specifica si reprezinta cantitatea de caldura necesara pentru a ridica cu 1C temperatura unei unitati de masa (in cazul corpurilor solide sau lichide) ori de volum (in cazul gazelor).

Caldura specifica se noteaza cu simbolul c. Numarul care exprima valoarea caldurii specifice variaza in functie de unitatile alese pentru masa si cantitatea de caldura. In sistemul international (SI) unitatea de masa este kilogramul, iar unitatea de caldura este joule; caldura specifica va avea deci ca unitate de masura joule/kilogram.grad (J/kg.grd).

Daca se exprima cantitatea de caldura in calorii si masa in grame, caldura specifica va avea ca unitate de masura caloria/gram.grad [cal/g.grd.].

Caloria/gram.grad este caldura specifica a corpului a carui temperatura creste cu un grad cand primeste o cantitate de caldura egala cu calorie pentru fiecare gram.

Conform definitiei caloriei, data anterior, rezulta caldura specifica a apei capa = 1 cal./g.grd, sau capa = 4185,5 J/kg.grd.

Se observa ca pentru operativitatea calculului, in practica este mai usor sa se utilizeze caloria ca unitate a cantitatii de caldura, desi aceasta este o unitate toleranta.

In tabela 1 sunt date valorile caldurii specifice ale catorva substante solide, lichide si gazoase.Caldura specifica a unui corp depinde de starea sa de agregare. Astfel un corp aflat in stare lichida (topit) are o

caldura specifica mai mare decat in stare solida.Exemplu:

cgheata = 0,5 cal/g.grd; capa = 1 cal/g.grd.

Caldura specifica este in general variabila cu temperatura, in sensul ca pentru incalzirea unitatii de masa cu 1C la temperaturi scazute, de exemplu intre 5 si 6C, este necesara o alta cantitate de caldura decat pentru o incalzire de temperaturi mai ridicate, de exemplu intre 80 si 81C. Practic diferenta este foarte mica, astfel ca pentru calculele tehnice se poate aproxima o valoare constanta a caldurii specifice pentru intervale destul de mari de temperatura.

Tabela 1

Calduri specifice

Substante La sau intre temperaturileCaldura specifica

__J__kg.grd

_cal_g.grd

Aluminiu 0 100C 910 0,2175Aur 0 100C 129 0,0309

Beton 0 100C 880 1160 0,21 0,27Cupru 0 100C 389 0,093Grafit 0 100C 904 0,216Fier 0 100C

- 256C+ 760C

4602,8

1264

0,110,000670,302

Mercur 0C210C

140133

0,033460,0319

Nichel 0 100C 457 0,192Plumb 0 100C 130 0,031Platina 0 100C 133 0,032Siliciu 0 100C 741 0,177Sticla 19 100C 837 0,20

Gheata 0C 2038 0,487Apa 0C 4185 1

Apa de mare 17,5C 3976 0,95Alcool etilic 0C 2293 0,548

Amoniac 20C 4712 1,126Benzina 20C 1480 0,34

Eter 0C 2214 0,529Petrol 21 58C 2138 0,511

Vapori de apa 100C 1762 0,421Aer 0 200C 994 0,2375

Bioxid de carbon 15 100C 847 0,2025Hidrogen 12 198C 14268 3,4090Oxigen 13 207C 910 0,2175

4. Puterea calorifica

Dupa cum s-a aratat anterior, una din principalele cai de obtinere a caldurii o constituie reactiile chimice exotermice, mai exact reactiile de ardere. Este cunoscut faptul ca orice corp combustibil poate fi aprins si continua sa arda intr-o atmosfera ce contine oxigen, degajand caldura si radiatii luminoase.

Reactia de combinare a unui corp inflamabil cu oxigenul este numita reactia de oxidare sau combustie.Amanuntele de ordin chimic ale acestui proces nu reprezinta interes pentru moment. Din punct de vedere fizic se

deosebesc doua situatii distincte:- atunci cand exista oxigen suficient pentru ca tot combustibilul sa arda, deci sa se asigure o combustie completa si- atunci cand arderea se face cu deficit de oxigen, cu degajare de funingine si flacari de culoare inchisa, adica are

loc o combustie incompleta.Ulterior se va reveni asupra arderii precizand o serie de detalii de natura chimica, necesare intelegerii acestui

fenomen. Din punct de vedere termic atrage atentia faptul ca, prin ardere, corpurile degaja cantitati diferite de caldura. Este

cunoscut ca la arderea unui kilogram de carbuni se obtine o cantitate mai mare de caldura decat la arderea unui kilogram de lemne. Experientele au demonstrat ca orice combustibil degaja o cantitate determinata de caldura, dependenta numai de natura sa (carbune, lemn, benzina etc.), cu alte cuvinte combustibilii sunt caracterizati prin puterea lor calorifica.

Puterea calorifica a unui combustibil reprezinta cantitatea de caldura produse prin arderea completa a unui kilogram de combustibil solid sau lichid sau prin arderea unui metru cub de gaz, masurat in conditii normale.

Puterea calorifica se noteaza cu simbolul H si are ca unitate de masura kilocaloria/kilogram [kcal/kg].Puterea calorifica poate fi determinata experimental cu ajutorul unor metode calorimetrice sau poate fi calculata

tinand seama de compozitia chimica a combustibilului.Pot fi intalnite doua notiuni: putere calorifica superioara si putere calorifica inferioara.Puterea calorifica superioara (Hsup) reprezinta caldura degajata in conditii cand produsele de ardere se gasesc la o

temperatura mai mica de 100C, deci cand apa din gazele de ardere este in stare lichida.Puterea calorifica inferioara sau efectiva (Hinf) reprezinta puterea calorifica din care s-a scazut cantitatea de caldura

necesara pentru vaporizarea apei, adica in conditii cand produsele de ardere se gasesc la o temperatura mai mare de 100C.Se poate deduce ca un material combustibil degaja o cantitate mai mare de caldura mai redusa de apa.In tabela 2 sunt indicate puterile calorifice ale unor combustibili larg utilizati.

Tabela 2

Puterea calorifica medie a unor substante combustibile

Combustibilul Puterea calorifica Combustibilul Puterea calorifica105 J/kg kcal/kg 106 J/kg kcal/kgAmidon 16,8 4000 Lemn umed* 6,3 10,5 1500 2500Benzina 41,8 10000 Lemn uscat* 12,6 16,8 3000 4000Bumbac 17,5 4200 Linoleum 20,9 5000Carton 16,8 3940 Matase naturala 33,5 7930Cauciuc 44 10600 Matase artificiala 34,3 5800Celuloid 18,8 45500 Motorina 46 11000Cereale 16,8 4000 Piele (bucati) 20 4730Cocs 33,6 8000 Tesaturi textile 18,8 4500Fan 14,6 3500 Zahar 16,8 4000

* In functie de esenta lemnului

5. Sarcina de incendiu

Puterea calorifica a materialelor combustibile prezinta o importanta deosebita pentru aprecierea pericolului de incendiu intr-un obiectiv.

Se poate face urmatorul rationament: daca fiecare kilogram dintr-un material combustibil dezvolta o cantitate de caldura H kcal, intr-o incapere unde se afla m kg de combustibil care arde se va degaja o cantitate de caldura:

Q = m H [kcal]

In realitate intr-o incapere de locuit sau spatiu de productie nu se afla un singur fel de material combustibil ci mai multe (mobila, covoare, perdele, carti, lichide combustibile etc.).

Cantitatea de caldura ce poate fi dezvoltata prin arderea tuturor materialelor combustibile din spatiul respectiv este egala cu suma cantitatilor de caldura dezvoltate de fiecare combustibil in parte adica:

Qtotal = Qlemn + Qteztile + Qhartie + ..........

sau, folosind formula Q = m H [kcal] se poate scrie:

Qtotal = mlemn Hlemn + mtextile Htextile + mhartie Hhartie + ...

Aceasta suma poate fi exprimata sub forma:

Qtotal = mi Hi [kcal]

unde mi este masa unui material combustibil si Hi puterea calorifica a materialului respectiv.Din punctul de vedere al protectiei contra incendiilor si al operatiunilor de stingere este important de stiut daca

aceasta cantitate totala de caldura este concentrata intr-un spatiu restrans, dand nastere unei temperaturi ridicate, sau daca se disperseaza intr-o mare hala industriala fara a provoca pagube insemnate.

Pentru a rezolva problema este suficient sa se raporteze cantitatea de caldura dezvoltata la suprafata obiectivului respectiv. Obtinem astfel o marime care reprezinta cantitatea de de caldura pe metru patrat, un factor care nu mai este dependent de dimensiunile obiectivului ci caracterizeaza sintetic potentialul termic al tuturor materialelor combustibile, considerate a fi uniform repartizate pe suprafata incaperii.

q = Qtotal = miHi [kcal ] S S m

Aceasta marime a primit denumirea de sarcina de incendiu sau incarcare termica.In practica, pentru usurinta aprecierilor comparative, se calculeaza echivalentul in lemn al sarcinii de incendiu,

adica o cantitate de lemn, avand puterea calorifica H = 4000 kcal/kg, care prin ardere ar degaja acelasi numar de calorii ca si materialele combustibile existente. Spre exemplu, un kilogram de benzina cu puterea calorifica de 10.000 kcal/kg este echivalent cu 2,5 kg lemn.

Se poate scrie deci echivalentul lemn al sarcinii de incendiu:

Mlemn = _mi Hi__ [kglemn] S Hlemn m

Utilizand acest indice (Mlemn), sarcinile de incendii din diferite spatii sau obiective vor fi exprimate in kg.lemn/m2, existand posibilitatea unor aprecieri comparative foarte lesnicioase.

Se poate deosebi o sarcina de incendiu mobila si una imobila. Sarcina de incendiu sau incarcarea termica imobila este constituita din suma tuturor partilor constructive combustibile precum si a instalatiilor precum si a instalatiilor fixe aferente cladirii. Ea este dependenta de tipul constructiei putand varia de la 10 kglemn/m pentru cladirile masive, pana la 80 kglemn/m pentru constructiile din material lemnos. Sarcina de incendiu este imobila, la cladirile masive, este compusa din tamplarie, podele, compartimentari combustibile etc. Folosirea unor materiale necombustibile (aluminiu, sticla s.a.) la

constructiile moderne permite reducerea incarcarii termice imobile. In sens contrar actioneaza utilizarea pe scara larga a maselor plastice in constructii, in special ca elemente de finisare.

Sarcina de incendiu mobila, reprezentand suma tuturor materialelor combustibile introduse intr-o incapere, fara a face parte constitutiva din aceasta, variaza in limite foarte largi, in functie de destinatia incaperii si a cladirii respective. In tabela 3 sunt date unele valori orientative, stabilite pe baze statistice, asupra sarcinii de incendiu, medie si maxima, in diverse obiective.

Tabela 3

Sarcini de incendiu in diferite cladiri

CladireaSarcina de incendiu medie

kglemnm

Sarcina de incendiu maximakglemn

m

Incaperea din cladire cu sarcina de incendiu maxima

- Locuinta 43 125 Magazii- Spital 30 115 Depozit de lenjerie- Fabrica de mobila 75 585 Vopsitorie - Fabrica de confectie 53 510 Depozitul de produse finite- Tipografie 166 835 Depozitul de hartie- Birouri 52 420 Arhive- Depozit general 122 1150 Marfuri speciale

Sarcina de incendiu ofera o imagine concreta a pericolului de incendiu intr-un obiectiv. Studiile si experimentarile pe incendii, facute in numeroase tari, au scos in evidenta relatii intre incarcarea termica si durata incendiului, respectiv variatia temperaturii la un incendiu.

6. Termometria (masurarea temperaturilor)

Anterior s-a stabilit ca gradul de incalzire al corpurilor este indicat prin marimea numita temperatura. Experientele au demonstrat ca variatia caldurii unui corp este insotita de modificari, dupa legi bine cunoscute, ale unor caracteristici fizice ale corpului, de exemplu: volumul, culoarea, rezistenta electrica etc.

Alegand o asemenea caracteristica (denumita proprietate termoelectrica), ale carei valori pot fi masurate cu ajutorul unor etaloane bine precizate, se poate stabili o scara de temperatura care sa masoare gradul de incalzire a corpurilor.

Dintre fenomenele termoelectrice, pe baza carora au fost imaginate si realizate instrumente pentru masurarea temperaturii se pot mentiona: dilatia corpurilor; variatia rezistentei electrice; efectul termoelectric; modificarea culorii corpurilor.

Fenomenul fizic cel mai des utilizat in termometrie este dilatatia corpurilor, adica variatia volumului sub actiunea caldurii.

Deoarece este necesar ca termometrul sa prezinte o sensibilitate corespunzatoare, cu alte cuvinte, unor variatii mici de temperatura sa le corespunda variatii mari ale marimii fizice luate drept fenomen termometric, se folosesc substante lichide sau gaze,

Dupa incalzire, corpurile solide nu revin exact la dimesiunile initiale, pastrand o dilatatie remanenta, fenomen care reduce fidelitatea termometrului. Lichidele au sensibilitate si fidelitate corespunzatoare; coeficientii lor de dilatatie sunt de 50 100 de ori mai mari decat ai solidelor, iar fenomenul de dilatatie remanenta lipseste.

Gazele au coeficienti de dilatatie si mai mari, fapt care le face utile la construirea unor termometre foarte sensibile si precise, utilizate indeosebi in laboratoare sau la etalonarea altor termometre.

Lichidele cel mai mult utilizate la fabricarea termometrelor sunt mercurul, alcoolul etilic, touenul si xilenul.Mercurul prezinta o serie de avantaje care-l fac adecvat pentru masurarea temperaturilor intr-un interval destul de

larg, de la - 38C (temperatura sa de inghetare) pana la 357C (temperatura de fierbere). Sub presiune poate fi folosit la masurarea unor temperaturi pana la 700C.

Datorita faptului ca este metal, prezinta o inertie termica redusa si in consecinta o sensibilitate sporita. Deoarece mercurul are coeficientul de dilatare constant, in intervalul 0 100C, termometrul cu mercur poate fi gradat cu usurinta (scara echidistanta). Lipsa de aderenta la peretii vasului in care se afla mercurul, face ca sa fie inlaturate eventualele erori provocate de fenomenul de udare.

Pentru temperaturi scazute se poate utiliza ca lichid termometric alcoolul, pana la 120C, sau pentanul, pana la 200C.

Temperaturile ridicate (400 1800C) se masoara cu ajutorul termometrelor. Acestea constau din doi conductori de metale diferite (nichel-crom, fier-constantan, platina-rhodiu) sudati la cate un capat si avand capetele libere legate de un voltmetru sensibil.

Functionarea termoelementelor se bazeaza pe fenomenul aparitiei unui curent electric de ordinul milivoltilor in circuitul format de cele doua sarme, atunci cand se incalzeste locul sudurii.

Intrucat exista o relatie directa intre variatia de temperatura si curentul din circuit, voltmetrul poate fi gradat direct in unitati de temperatura (C).

7. Termometre

Fabricarea unui termometru cu lichid este relativ simpla.Intr-un tub capilar avand la unul din capete un mic rezervor se introduce mercurul sau alt lichid termometric.Este necesar ca diametrul tubului capilar sa fie constant pe toata lungimea pentru ca unor variatii egale de

temperatura sa le corespunda volume egale, respectiv lungimi egale de tub, care inregistreaza dilatatia.Dupa introducerea mercurului se face vid in tub si se inchide la flacara.Urmeaza operatiunea de gradare a termometrului care necesita precizarea unor repere termometrice sau puncte

fixe, adica a unor numere conventionale atribuite unor fenomene ce se petrec intotdeauna la aceeasi temperatura (exemplu topirea ghetii si vaporizarea apei).

Termometrul metalic. Termometrele de sticla, cu lichid, prezinta dezavantajul unei fragilitati care limiteaza domeniul lor de utilizare. In industrie se folosesc termometre metalice, cu lichid care sunt mai robuste, putand suporta lovituri sau socuri termice. In principiu un asemenea termometru este compus dintr-un rezervor, introdus in spatiul a carei temperatura urmeaza a fi determinata, continuat cu un tub metalic, avand capatul liber curbat si prevazut cu un ac indicator. Rezervorul si tubul sunt umplute cu mercur. Cresterea temperaturii provoaca dilatarea mercurului si deformarea portiunii curbate care tinde sa se indrepte, miscand acul indicator in dreptul unei scale gradate. Deoarece rezervorul si tubul curbat se gasesc in spatii cu temperaturi diferite, precizia termometrului este relativ scazuta, dar suficienta pentru nevoi industriale. Precizia poate fi marita prin adaptarea unui al doilea tub curbat cu actiune diferentiala, identic cu primul dar nu mai patrunde in spatiul cu temperatura ridicata, neavand legatura cu rezervorul. Acest tip de termometru necesita control si verificari periodice.

Pirometrul optic. Termometrele metalice sau de sticla, precum si cele cu rezistenta electrica sau cu termoelemente trebuie puse in contact direct cu locul a carui temperatura trebuie determinata. Uneori acest lucru este imposibil, in special cand se masoara temperaturi ridicate. Pentru asemenea situatii se utilizeaza pirometrele optice al caror principiu de functionare consta in compararea radiatiei luminoase a focarului, a carui temperatura trebuie masurata, cu radiatia luminoasa a unui fir de carbune etalon.

Temperatura firului etalon adus la incandescenta de un curent electric furnizat de sursa, poate fi reglata prin intermediul a doua rezistente electrice montate in luneta aparatului. Variatia controlata a acestor rezistente modifica intensitatea curentului in circuit pana cand radiatia firului etalon este identica cu radiatia sursei calde, astfel ca, privind prin luneta, firul se confunda cu sursa (au aceeasi nuanta de culoare).

Fiecarei intensitati a curentului din circuitul de incalzire a firului etalon ii corespunde un anumit grad de incalzire, adica o anumita temperatura. Valoarea respectiva este citita pe cadranul galvanometrului, gradat direct in grade Celsius.

Practic, pentru a determina temperatura unei surse de radiatie termica, operatorul indreapta obiectivul lentilei asupra sursei si regleaza rezistentele electrice pana cand firul etalon se pierde pe fondul sursei, dupa care citeste indicatia galvanometrului. Acest tip de aparat pentru masurarea temperaturii este deosebit de util la furnale, turnatorii, laminoare si in orice alt loc unde temperatura ridicata nu permite apropierea de sursa calda (inclusiv la incendii).

Termograful. In obiectivele industriale moderne exista aparatura a carei functionare trebuie urmarita si inregistrata fara intrerupere. Temperatura la care se desfasoara anumite procese tehnologice constituie un parametru important a carui variatie trebuie cunoscuta cu precizie. Pentru aceasta au fost construite aparate inregistratoare care traseaza curba de variatie a temperaturii, intr-un interval de timp, denumite termografe.

In principiu, termograful este compus dintr-un termometru metalic, un sistem de parghii si un cilindru rotitor cu mecanism de ceasornic. Termometrul metalic de constructie speciala transforma variatia temperaturii in miscari ale acului inregistrator prin intermediul sistemului de parghii.

Acul inregistrator lasa o urma vizibila pe o banda de hartie infasurata in jurul cilindrului rotit cu viteza constanta de mecanismul de ceasornic. Pe banda sunt trasate linii verticale paralele care indica subdiviziuni ale intervalului de timp si linii orizontale care marcheaza valorile temperaturii. Dupa efectuarea unei rotatii complete, banda poate fi scoasa si verificata. Prin utilizarea a doi cilindri, se prelungeste intervalul de timp dupa care trebuie schimbata banda. Termografele sunt utilizate pe scara larga in industria chimica si alimentara, in meteorologie etc.

8. Procedee speciale de masurare a temperaturii

Culori termoscopice. Pentru determinarea rapida a temperaturii la suprafata unui corp sau agregat industrial (cazan, motor, conducta incalzita etc.) se utilizeaza fenomenul de termocromie care se manifesta prin proprietatea pe care o au anumite substante de a-si schimba culoarea sub efectul variatiei temperaturii.

Practic, procedeul de masurare consta in utilizarea unui creion termoscopic cu care se trage o linie pe suprafata a carei temperatura trebuie determinata. Daca obiectul respectiv are temperatura marcata pe creionul folosit, virarea de culoare se face intr-un interval de timp stabilit (de exemplu la doua secunde dupa tragerea liniei). Daca acest interval este mai mare, temperatura obiectului este mai mica decat cea indicata pe creion, si invers, daca virarea de culoare se face mai rapid, temperatura obiectului a depasit pe cea corespunzatoare creionului.

In tabela 4 sunt date principale substante termoscopice utilizate in tehnica.

Tabela 4

Principalele substante termoscopice utilizate in tehnica

Denumirea substanteiCuloarea Temperatura la care

se schimba culoarea C

ReversibilitateaInitiala Finala

Sulfura de mercur Rosu Cafeniu-negru

250300 Da

Iodura de mercur si cupru

Rosu deschis Rosu-inchisMaronNegru

607075

Da(daca nu a fost incalzit

la temperaturi prea inalte)

Iodura de mercur si argint

Rosu Maron 70 Nu

Cromat de plumb Rosu Cafeniu-negru

250300 Nu

Oxid de mercur Rosu Negru Pe masura cresterii temperaturii Da

Bromura de cupru Galben Cafeniu Pe masura cresterii temperaturii Da

Cianura cupro-feroasa Maron Cafeniu-negru

Pe masura cresterii temperaturii Da

Bisulfura de arsen Portocaliu Rosu-cafeniu Pe masura cresterii temperaturii Da

Creioanele termoscopice sunt livrate in seturi, avand indicate temperaturile de utilizare si culoarea de virare pentru intervale de temperatura specifice unui anumit domeniu industrial. Astfel, setul Thermocrom 65 ... 200C se utilizeaza in industria hartiei, cauciucului, chimica si electrotehnica, setul 200 400C in industria alimentara si a sticlei, setul 350 - 670C in siderurgie s.a.m.d.

Indicatorii termoscopici pot fi utilizati si sub forma de vopsele in industria chimica si electrotehnica, ca mijloc de avertizare in caz de supraincalziri periculoase.

Indicatoarele piroscopice (conuri Seger) sunt utilizate pentru a inregistra atingerea unor temperaturi prestabilite in diverse procese industriale. Se fabrica in doua marimi, avand forma unui trunchi de piramida. Sunt executate din materiale ceramice caolin, cuart, feldspat, carbonat de calciu si adaus de lianti in diferite proportii, astfel incat sa se creeze o gama larga de amestecuri ale caror puncte de inmuiere difera cu 20 ... 30 grade unul de altul. In STAS 1312-64 se defineste temperatura de inmuiere ca temperatura la care indicatorul asezat vertical pe o placa suport se inmoaie si, sub actiunea greutatii proprii, se indoaie peste muchia scurta astfel incat varful atinge nivelul placii suport.

Indicatoarele mari cu inaltimea de 50 mm se folosesc pentru temperaturi de 600 1540C, iar cele mici cu inaltimea de 30 mm pentru intervalul de temperaturi 1580 2000C.

Indicatoarele piroscopice sunt utilizate indeosebi la urmarirea temperaturilor de regim in cuptoare, in grupuri de cate trei indicatoare, unul cu numarul corespunzator temperaturii de regim, al doilea cu numarul imediat superior, iar al treilea cu numarul imediat inferior.

Indicatoare fuzibile (martori). Pentru a determina atingerea unei anumite temperaturi se pot folosi diverse aliaje metalice, de forma cilindrica, a caror topire se produce intr-un mic interval de temperatura. Cu acesti martori se poate acoperi intervalul de temperaturi cuprins intre 100 si 1600C.

9. Scari termometrice

Asa cum s-a aratat anterior, prin conventie, pe scara Celsius, intervalul standard de temperatura este cuprins intre 0 (punct fix determinat de temperatura ghetii pure care se topeste la presiune normala) si 100 (punct fix determinat la temperatura vaporilor de apa care fierb la presiune normala).

Practic, deci, vor fi marcate pe tubul capilar al termometrului cele doua pozitii ale coloanei de mercur: una corespunzatoare temperaturii de topire a ghetii, si una corespunzatoare temperaturii de fierbere a apei. Intervalul intre aceste doua repere stabilite experimental se imparte in 100 de parti egale, fiecare diviziune corespunzand cu un grad Celsius.

Alegerea punctelor fixe si atribuirea unui anumit numar de grade este pur conventionala. Astfel, o alta scara termometrica propusa de Raumur considera ca cele doua puncte fixe mentionate au valorile 0 si 80, deci intervalul de temperatura intre topirea ghetii pure si fierberea apei este impartit in 80 grade Raumur.

O a treia scara termometrica, scara Fahrenheit considera ca gheata se topeste la 32 grade Fahrenheit iar apa fierbe la 212 grade Fahrenheit, deci acelasi interval de temperatura este impartit in 180 grade Fahrenheit.

Scara termometrica folosita universal este scara Celsius. Transformarea gradelor in diverse scari termometrice se face cu ajutorul unor relatii simple:

tR = 0,8 tC

tF = 32 + 1,8 tC

In tabela 5 sunt date relatiile de transformare dintr-o scara in alta si corespondentele gradelor Celsius pentru un interval de temperaturi uzuale.

Temperatura absoluta. In termodinamica si in tehnica se utilizeaza o scara de temperaturi in grade absolute sau grade Kelvin [K], al carui punct intial este considerat zero absolut (0K = - 237,15C).

Pe scara termometrica absoluta nu vom intalni temperaturi negative deoarece 0 K este cea mai scazuta temperatura posibila.

Temperatura absoluta se noteaza cu simbolul T. Gradul Kelvin este egal cu gradul Celsius. Intre valorile temperaturilor masurate pe cele doua scar exista relatia:

T [K] = tC + 273,15

Tabela 5

Relatii de transformare intre valorile temperaturilor pe diferite scari termometrice

Scara Celsius Scara Ramur Scara FahrenheitC tC 4 tC

59 tC + 32

5R 5 tR

4tR 9 tR + 32

4F 5 (tF 32)

94 (tF 32)

9tF

Temperaturi pe diferite scari termometriceCelsius C Ramur R Fahrenheit F Kelvin K- 273,15 - 218,6 - 459 0

- 20 - 16 - 4 253,15- 15 - 12 5 258,15- 10 - 8 14 263,15- 5 - 4 23 268,150 0 32 273,155 4 41 278,1510 8 50 283,1520 16 68 293,1530 24 86 303,1540 32 104 313,1550 40 122 323,1560 48 140 333,1570 56 158 343,1580 64 176 353,1590 72 194 363,15100 80 212 373,15150 120 302 423,15200 160 392 473,15300 240 572 573,15

10. Calorimetria. Principii calorimetrice

Observatii indelungate asupra proceselor de trecere a caldurii de la un corp cald la unul rece au permis sa se stabileasca anumite principii care guverneaza aceste fenomene, dupa cum urmeaza:

Principiul echilibrului termic. Cand doua corpuri avand temperaturi diferite sunt puse in contact, are loc un proces de trecere a caldurii de la corpul cald catre cel rece, proces care dureaza pana la egalizarea temperaturilor celor doua corpuri.

Principiul schimbului de caldura. In lipsa unor procese secundare de transformare energetica, in urma racirii corpului cald, acesta cedeaza o anumita cantitate de caldura care este preluata de corpul rece. Deci cantitatea de caldura cedata de sursa mai calda este egala cu cantitatea de caldura primita de sursa mai rece. Acest principiu reprezinta o forma particulara a principiului conservarii energiei.

Principiul transformarilor inverse. Cantitatea de caldura preluata de un corp prin trecerea de la o stare A1 la o stare A2 este egala cu cantitatea de caldura cedata de acelasi corp atunci cand revine de la starea A2 la starea A1. Principiul transformarilor inverse constituie o consecinta a principiului conservarii energiei. Din moment ce energia nu poate fi nici

creata, nici distrusa, este evident ca energia calorica necesara trecerii corpului de la starea A1 la starea A2 va fi restituita integral prin revenirea la starea initiala.

Tinand seama de caracteristicile fizice ale corpurilor se poate determina cantitatea de caldura primita sau cedata la modificarea temperaturii.

La punctul 3, s-a definit caldura specifica a unui corp drept cantitatea de caldura necesara pentru a modifica cu 1C temperatura unitatii de masa. Rezulta ca daca un corp are masa m, cantitatea de caldura necesara pentru a-i modifica temperatura cu 1C va fi egala cu m c. Produsul m c dintre masa corpului si caldura sa specifica se numeste capacitate calorica a corpului respectiv.

Daca temperatura corpului va fi modificata cu mai multe grade, de exemplu corpul va fi incalzit cu t grade, atunci el va primi o cantitate de caldura de atatea ori mai mare, adica:

Q = m.c. t

Cele expuse mai sus pot fi exemplificate printr-un caz des intalnit in practica. Pentru a raci rapid un corp metalic, acesta se introduce intr-un vas cu apa sau cu alt lichid de racire. Se stie ca intr-o asemenea situatie obiectul cald se raceste iar lichidul din vas se incalzeste, la sfarsitul procesului de schimb de caldura ambele corpuri avand aceeasi temperatura a carei valoare (teta) este situata intre valorile temperaturilor initiale tc si tr.

Se naste intrebarea: Care va fi temperatura finala a unor corpuri cu temperaturi initiale diferite, care participa la un proces de schimb de caldura ?

Cele doua corpuri pot avea stari de agregare diferite; se poate scufunda un corp solid intr-un lichid, se pot amesteca doua lichide, se poate raci un corp solid intr-un gaz s.a.m.d.

Conform formulei cantitatea de caldura cedata de corpul a carui temperatura scade de la tc la va fi:

Qcedata = mc cc (tc )

unde mc este masa corpului cald,cc caldura specifica a corpului cald, tc temperatura corpului cald si temperatura finala.Similar, cantitatea de caldura preluata de corpul rece a carui temperatura creste de la tr la va fi:

Qpreluata = mr cr ( tr).

Dar conform principiului schimbului de caldura

Qcedata = Qpreluata

Rezulta:

mc cc (tc ) = mr cr ( tr)

sau

mc cc tc + mr cr tr = mc cc + mr cr

de unde:

= mc cc tc + mr cr tr mc cc + mr cr

Deci temperatura finala a unui ameste de doua corpuri avand temperaturi initiale diferite este egala cu suma produselor capacitatilor calorice cu temperaturile corpurilor impartita la suma capacitatilor calorice.

Capitolul II

Schimbarea starii de agregare a corpurilor

1. Topirea si vaporizarea

In natura corpurile se pot gasi in stare solida, lichida sau gazoasa, in functie de temperatura. In prezent se considera ca materia poate avea si o a patra stare de agregare plasma dar implicatiile fizice ale acestui fenomen depasesc limitele lucrarii de fata.

Starea solida defineste corpurile care prezinta rigiditate mare si rezistenta la actiunea unor forte externe. Coeziunea intre moleculele corpurilor solide este puternica, acestea avand doar o miscare de vibratie in jurul unei pozitii de echilibru. Corpurile solide se caracterizeaza prin volum si forma determinata.

Spre deosebire de acestea, lichidele nu au rigiditate si se deformeaza cu usurinta sub actiunea unor forte exterioare. Ele curg sau iau forma recipientului in care sunt turnate. Desi isi mentin volum constant, nu au forma proprie, fapt care dovedeste existenta unor forte de coeziune mai reduse decat la solide.

Daca fortele de coeziune scad sub anumite limite atunci corpul nu-si mai pastreaza nici forma, nici volumul si trece in stare gazoasa. Din cauza fortelor de coeziune foarte reduse gazele nu au forma si volum propriu, ele putand ocupa intregul volum care il au la dispozitie.

Cunoasterea caracteristicilor celor trei stari de agregare ale corpurilor este necesara in activitatea pompierilor, indeosebi pentru aprecierea pericolului de incendiu in diverse situatii si pentru adoptarea unor masuri corespunzatoare de prevenire si stingere.

Deosebit de importanta este cunoasterea fenomenelor de trecere dintr-o stare fizica in alta, adica transformarile de stare. Pentru exeplificarea legilor care guverneaza transformarile de stare se poate urmari comportarea apei, sub cele trei forme de agregare: solida (gheata), lichida (apa) si gazoasa (vapori de apa, aburi).

Se considera un vas cu bucatele de gheata supus incalzirii la o flacara. Un termometru introdus in vas indica o crestere lenta a temperaturii ghetii pana se atinge valoarea 0C. Apoi se constata ca desi gheata continua sa primeasca aceeasi cantitate de caldura in unitate de timp, termometrul nu inregistreaza modificari ale temperaturii. Urmarind cu atentie comportarea ghetii se observa ca incepe sa se topeasca, transformandu-se in apa.

Experimental s-a stabilit ca, in conditii de presiune constanta, este necesara o cantitate determinata de caldura pentru a topi o unitate de masa dintr-un corp solid. Aceasta caldura se numeste caldura latenta de topire si se noteaza cu qtopire.

Dupa topirea ultimei bucati de gheata, cand in vas se gaseste numai apa, termometrul incepe sa indice din nou o crestere lenta a temperaturii, proportionala cu cantitatea de caldura primita.

La 100C se inregistreaza un alt prag in variatia temperaturii apei. Lichidul fierbe si incepe sa se transforme in vapori. Vaporizarea trecerea din stare lichida in stare gazoasa se poate face in mod lent, numai la suprafata lichidului, rapid si cu zgomot (fierbere).

Procesul de vaporizare prezinta anumite similitudini cu procesul de topire:- In timpul transformarii temperatura se mentine constanta.- Ca si la topire este necesara o cantitate determinata de caldura pentru a realiza transformarea de stare.Cantitatea de caldura primita de un lichid pentru a se vaporiza la temperatura si presiune constante se numeste

caldura latenta de vaporizare. Daca aceasta marime se raporteaza la unitatea de masa a unei substante se obtine caldura specifica de vaporizare a substantei respective.

Din clipa cand intreaga masa a lichidului s-a transformat in vapori, temperatura acestora se modifica, in sensul unei cresteri proportionale cu cantitatea de caldura primita.

2. Legile transformarilor de stare a corpurilor

Analizand fenomenele de trecere a corpurilor dintr-o stare de agregare in alta se pot deduce legi care sunt valabila atat pentru topire cat si pentru vaporizare. Astfel:

- In cazul substantelor pure, la presiune constanta, transformarile de stare (topire si vaporizare) se produc la temperaturi bine determinate, constante si caracteristice fiecarei substante.

- Pentru a schimba starea de agregare a unitatii de masa dintr-o substanta sunt necesare cantitati determinate de caldura, denumite calduri latente specifice de transformare (topire, respectiv vaporizare).

Caldurile latente de transformare reprezinta cantitatile de energie necesare pentru invingerea fortelor de coeziune moleculara.

Fenomenele de modificare a starii de agregare constituie exemplificari ale legii generale a naturii privind transformarea acumularilor cantitative in salturi calitative.

Transformarile de stare sunt insotite de modificari ale unor caracteristici fizice ale substantelor. Prin topire, majoritatea corpurilor isi maresc volumul. Fac exceptie unele corpuri, printre care si gheata. Aceasta explica de ce gheata pluteste la suprafata apei (prin marirea volumului, densitatea scade) sau de ce crapa sticlele in care apa ingheata.

Fenomenul de marire al volumului este mult accentuat la trecerea din starea lichida in starea de vapori.In acest caz apa isi mareste volumul de circa 1700 de ori, fapt deosebit de important pentru utilizarea apei atat ca

agent de lucru in masinile termice cu aburi cat si ca agent de stingere a incendiilor.In afara de efectul de racire accentuat, prin transformarea apei in vapori se realizeaza si un efect de inabusire a

incendiului, vaporii de apa ocupand locul aerului care intretine arderea.

3. Cazuri particulare de transformare a starii de agregare

In general corpurile trec dintr-o stare de agregare in alta urmand desfasurarea fenomenelor descrise mai sus. Sunt totusi unele substante a caror comportare sub actiunea calduri prezinta anumite abateri. Astfel sunt corpuri care nu au o temperatura determinata de topire, ele trecand in mod treptat de la starea solida la cea lichida in cursul unui proces de inmuiere (ceara, untul s.a.). Scaderea vascozitatii este insotita de modificarea continua a temperaturii astfel ca nu se poate stabili un punct precis de transformare.

Alte substante sublimeaza, adica trec direct din stare solida in stare gazoasa; ele nu pot fi obtinute in stare lichida la presiunea atmosferica (ex. iodul, acidul benzoic, pentaclorura de fosfor, zapada carbonica, clorura de amoniu etc.).

Sunt corpuri care prin incalzire, in absenta oxigenului, se descompun (lemnul, hartia, albuminoidele) si dau nastere unor alte substante.

O comportare interesanta au, in cursul procesului de topire, aliajele, prin faptul ca temperatura de topire este mai scazuta decat cea a oricarui component. Astfel aliajul Wood, compus din cadmiu, staniu, plumb si bismut, se topeste la 66 71C (in functie de compozitie), desi toate metalele componente au temperaturi de topire mai mari de 200C. Aliajul Lipowitz (plumb, staniu, cadmiu si bismut) se topeste la 60C, iar aliajul Rose (bismut, staniu si plumb), se topeste la 95C.

Fenomenele de topire a aliajelor sunt utilizate la constructia unor detectoare de incendiu, a unor tipuri de sprinklere sau a unor dispozitive de inchidere automata a usilor si perdelelor antifoc.

Si in cazul vaporizarii se inregistreaza fenomene care retin atentia. Astfel, in cazul unui ameste de doua sau mai multe lichide pure, punctul de fierbere nu mai are o valoare unic determinata ci exista mai multe praguri de temperatura la care se produce, treptat, vaporizarea lichidelor componente. Fenomenul isi gaseste aplicatii pe scara larga in industria chimica la distilarea fractionata a unor amestecuri (spre exemplu la distilarea petrolului). La inceput se vaporizeaza lichidul care fierbe la temperatura scazuta apoi ceilalti componenti, pe masura ce se atinge punctul de fierbere caracteristic fiecaruia.

Punctul de fierbere este variabil si in functie de presiunea la suprafata lichidului. Daca acesta presiune scade punctul de fierbere si coboara invers. Intr-un cazan de aburi, de exemplu, presiunea este mai mare decat cea normala, punctul de fierbere fiind situat in acest caz deasupra temperaturii de 100C.

4. Lichefierea si solidificarea

Pana in prezent a fost analizata comportarea corpurilor sub efectul cresterii temperaturii, respectiv topirea si vaporizarea. In natura se intalnesc insa si procese de transformare inversa, adica de trecere din stare gazoasa in stare lichida (lichefiere) sau din stare lichida in stare solida (solidificare).

In cursul lichefierii, corpul care se transforma cedeaza o cantitate de caldura egala cu cea absorbita la vaporizare, cu alte cuvinte caldura latenta de lichefiere este egala cu caldura latenta de vaporizare.

qlichefiere = qvaporizare

Aceeasi egalitate exista si intre caldura latenta de topire si cea de solidificare a unei substante.

qtopire = qsolidificare

Ca si topirea si vaporizarea, solidificarea si lichefierea corpurilor pure sunt procese care se desfasoara la temperaturi constante. Curba de variatie a temperaturii unui corp in cazul racirii este simetrica cu cea de la incalzire.

Topirea si solidificarea pe de o parte, vaporizarea si lichefierea pe de alta parte, sunt fenomene inverse care se anihileaza reciproc.

5. Simboluri, formule, unitati de masura

Caldurile latente de transformare se noteaza cu q. Fiecare substanta va avea deci doua valori distincte pentru calduri latente specifice de transformare: qt pentru caldura latenta de topire si solidificare si pentru caldura latenta de vaporizare sau lichefiere.

Unitatea de masura pentru caldura latenta specifica in sistemul international este joule/kg si reprezinta caldura latenta specifica a acelei substante care pentru a trece dintr-o stare de agregare in alta, la temperatura si presiune constante, are nevoie de o cantitate de energie de un joule pentru fiecare kilogram.

Daca se foloseste unitatea toleranta pentru cantitatea de caldura caloria atunci caldura latenta de transformare a unei substante reprezinta numarul de calorii necesare pentru trecerea unui gram de substanta dintr-o stare de agregare in alta.

Intre cele doua unitati de masura exista relatia:

1 _J_ = __1__ cal kg 4185,5 g

Cantitatea de caldura primita de un corp cu masa m in cursul procesului de topire sau cedata in cursul solidificarii va fi deci:

Qtopire = m qt

Similar, in cazul vaporizarii va fi:

Qvaporizare = m qv

Asa cum s-a subliniat mai sus, daca presiunea se mentine constanta, transformarile de stare au loc la temperaturi bine determinate, dependente de natura substantelor respecitve. In caz contrar, temperatura de transformare (topire sau vaporizare) variaza in functie de presiunea atmosferica la care are loc fenomenul. Se considera temperaturi normale de transformare sau puncte de transformare, valorile stabilite la o presiune de 760 mm Hg.

In tabela 6 sunt date valorile temperaturilor normale de topire a unor substante.

Tabela 6

Temperaturi de topire a corpurilor

Substanta Temperatura de topire C Substanta Temperatura de topire CMercur - 38,87 Magneziu 650Aliaj Darcet* 50 Aluminiu 660Stearina 45 Bronz 900Parafina 54 Email 960Aliaj Lipowitz* 60 Sticla 800 1400 Aliaj Wood* 66 Aur 1064Naftalina 80 Cupru 1083Aliaj Rose* 94 Fonta 1130 1200Sulf 119 Otel 1300 1500Selac 150 Nichel 1451Staniu 232 Portelan 1550Plumb 327 Platina 1773Zinc 419 Cuart 1730 2000Bromura de argint 434 Wolfram 3380

* Aliaje eutectice utilizare la constructia detectoarelor de incendiu.Compozitia lor in parti de greutate:- Aliajul Darcet: 50 Bi + 25 Sn + 25 Pb + 25 Hg- Aliajul Lipowitz: 50 Bi + 26,7 Pb + 13,3 Sn + 10 Cd- Aliajul Wood: 50,1 Bi + 24,9 Pb + 14,2 Sn + 10 Cd- Aliajul Rose: 2 Bi + 1 Sn + 1 Pb

6. Aplicatii in protectia contra incendiilor

Urmarirea fenomenelor de topire a corpurilor in cazul cercetarii unui incendiu poate furniza informatii interesante asupra desfasurarii acestuia, in mod special in privinta temperaturilor atinse in cursul procesului de ardere. Spre exemplu, daca intr-un laborator fotografic in care a izbucnit un incendiu se gaseste un recipient cu bromura de argint care a fost topita, se poate trage concluzia ca in cursul incendiului a fost depasita temperatura de 434C (temperatura de topire a bromurii de argint).

Alteori, urmele de corpuri topite pot da indicatii pretioase asupra cauzei incendiului. La un incendiu la care s-au gasit urme de cupru topit rezultat de la un conductor electric, (temperatura de topire a cuprului 1083C) alaturi de un conductor electric de aluminiu ramas intact (temperatura de topire circa 640C) s-a putut preciza ca temperatura degajata de incendiu nu a depasit 640C, topirea conductorului de cupru fiind produsa de un scurtcircuit care a declansat si incendiul.

O analiza atenta a locului incendiului imbinata cu o serie de cunostinte de specialitate constituie premiza acestei cercetari temeinice a unui incendiu si asigura succesul acestei actiuni.

Procesul de vaporizare prezinta de asemenea aspecte interesante pentru activitatea pompierilor.Retine atentia cifra care reprezinta caldura latenta de vaporizare a apei: 538,7 cal/g. Caldura de vaporizare ridicata,

care caracterizeaza apa, explica marea sa eficacitate ca agent stingator. Pentru a transforma un gram de apa, de la temperatura normala (15C) in vapori, este nevoie de 85 de calorii (pentru a aduce apa la temperatura de 100C) plus 538,7 cal pentru a transforma apa cu temperatura de 100C in vapori la 100C. Deci fiecare gram de apa de 15C transformata in vapori de apa preia de la sursa calda 85 + 538,7 = 623,7 cal. Efectul de racire este considerabil mai mare decat al oricarui alt lichid uzual. Aceasta situatie justifica recomandarile de a se utiliza apa pulverizata la stingerea incendiilor. Fiind dispersata in particule foarte mici, apa se vaporizeaza mai usor si in cantitate mai mare atunci cand intra in contact cu gazele calde produse de focarul de incendiu. Cu cat mai multe picaturi de apa se transforma in vapori cu atat efectul de racire este mai accentuat.

Datorita valorilor mari ale caldurii specifice si ale caldurilor latente, de topire si vaporizare, apa absoarbe o cantitate de caldura mult mai mare decat orice alt corp obisnuit.

Capitolul III

Dilatarea corpurilor

1. Dilatarea liniara

Experienta de toate zilele demonstreaza ca un corp isi modifica dimensiunile atunci cand este supus actiunii caldurii: se dilata odata cu cresterea temperaturii si se contracta la scaderea ei. Referiri calitative la acest fenomen s-au facut atunci cand este supus actiunii caldurii: se dilata odata cu cresterea temperaturii si se contracta la scaderea ei. Referiri calitative la acest fenomen s-au facut atunci cand a fost prezentata constructia termometrului cu mercur. Avand in vedere importanta si multiplele aplicatii pe care dilatarea le are in tehnica, inclusiv in domeniul pazei contra incendiilor, este necesar sa se aprofundeze o serie de cunostinte privind acest fenomen.

Trebuie sa precizam ca marirea prin incalzire sau micsorarea acestuia prin racire se constata indiferent de starea sa de greutate: solid, lichid sau gaz.

Practic, intereseaza dilatarea corpurilor in lungime, pentru obiecte a caror sectiune este foarte mica in raport cu lungimea: bare, fire etc. si dilatarea in volum, indeosebi pentru gaze.

Analiza atenta a permis cercetatorilor sa determine legi care guverneaza comportarea corpurilor sub efectul temperaturii. Astfel s-a stabilit ca dilatatia sau alungirea unei bare este proportionala cu lungimea initiala a corpului si cu variatia temperaturii, factorul de proportionalitate fiind o constanta caracteristica fiecarui material.

Matematic aceasta relatie se exprima sub forma:

l = l0 t

sau:

lt lo = l0 t

unde:

l = lt l0 este variatia lungimii sub efectul variatiei temperaturii (t);l0 = lungimea initiala;lt = lungimea finala (la temperatura t) coeficientul de dilatatie (factor de proportionalitate, dependent de natura substantei din care este facuta).

Coeficientul de dilatatie arata cresterea unitatii de lungime atunci cand temperatura creste cu 1C. Unitatea de masura pentru coeficientul de dilatatie este:

[__m__] = grd-1 m grd.

Din relatia lt lo = l0 t se poate calcula lungimea unei bare supusa dilatarii atunci cand se cunoaste lungimea sa initiala, diferenta de temperatura si materialul din care este confectionata.

lt = lo + l = lo + lotlt = lo (1 + t)

Expresia (1 + t) se numeste binom de dilatatie liniara. In tabela 7 sunt dati coeficienti de dilatatie liniara ai unor substante larg intrebunitate.

Valorile din tabela permit sa se traga cateva concluzii interesante: 1. Observam ca nu este constant cand temperatura variaza. Pentru calculele necesare in practica putem insa

aproxima o valoare medie pentru intervalul de temperatura respectiv.2. Metalele cu punct de topire ridicat au un coeficient de dilatatie mai mic (exemplu tungstenul, platina).3. Mercurul are un coeficient de dilatare foarte mare in raport cu celelalte metale, fapt care justifica utilizarea sa ca

substanta termometrica.

Tabela 7

Coeficienti de dilatare liniara

Coeficienti de dilatare liniara ai unor corpuri solide.106 grd-1, in intervalul de temperatura C.

0 100 0 200 0 300 0 400 0 500 0 800 0 - 1000Aluminiu 23,8 24,5 25,5 26,5 278,4 - -Argint 19,5 20 20,3 20,6 20,9 22,1 -Aur 14,2 14,6 14,8 15 15,6 - -Constatatan 60% Cu 40% Ni

15,2 15,6 16 16,4 16,8 - -

Cupru 16,5 16,9 17,2 17,7 18,1 - -Fonta 10,4 11 11,6 12,2 12,9 - -Nichel 13 13,7 14,3 14,9 15,2 16,1 -Otel tare 11,7 12,2 12,8 13,3 13,8 14,3 -Otel moale 12 13,6 13,1 13,6 14,1 - -Platina 9 9,1 9,3 9,4 9,5 9,9 10,2Plumb 29 29,6 31,1 - - - -Sticla de cuart 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,5

Tungsten 4,5 4,5 4,7 4,7 4,5 4,6 4,6Zinc 16,5 - - - - - -

Coeficienti de dilatare ai unor corpuri lichide

.105 grd-1, in intervalul de temperatura C.0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 80 0 100

Acetona 135 138 143 146 150 - -Benzen 120 120 123 125 127 134 -Glicerina 50 50 50 51 52 - -Mercur 18,19 18,2 18,21 18,21 18,22 18,25 18,26Toluen - 107 108 110 112 117 -

2. Aplicatii ale dilatatiei

In tehnica intalnim nenumarate situatii cand trebuie sa se tina seama de fenomenele de dilatatie, pentru a evita o seama de consecinte nefavorabile. Astfel, conductelor metalice prin care circula lichide incalzite sau vapori trebuie sa li se asigure posibilitatea de a se dilata liber utilizand racorduri speciale (alunecatoare) sau forme constructive care sa preia dilatarea (lire de dilatatie).

La constructia podurilor metalice unul din capete se sprijina pe role de dilatatie pentru a permite alungirea libera in caz de variatie a temperaturii.

Firele circuitelor electrice, telefonice, telegrafice etc. se monteaza cu o anumita sageata (mai putin intinse) pentru ca in timpul iernii sa nu se rupa ca urmare a contractiei. Exemplele pot continua. Ne vom opri insa la cele care au aplicatii speciale in combaterea incendiilor.

3. Releul termic cu lama bimetalica

Sa ne imaginam o lama formata din doua placute de metale diferite presate una langa alta. Presupunem ca au fost solidarizate o placuta de otel si una de zinc. Daca aceasta lama bimetalica este supusa unei cresteri de temperatura cele doua placute se vor dilata in mod diferit (otel = 1,1 x 10-5 grad-1, zinc = 3,54 10-5 grd-1), zincul avand tendinta sa se alungeasca mai mult. Deoarece placutele sunt strans lipite una de alta, lama bimetalica se va curba, zincul ramanand pe arcul exterior (cel cu lungime mai mare). Daca, dimpotriva, lama bimetalica va fi puternic racita, ea se va curba avand otelul pe arcul exterior.

Un asemenea dispozitiv poate functiona ca termoregulator pentru diverse aparate (etuva, clocitoare automata, cuptoare etc.). Atingerea unei temperaturi fixate determina curbarea lamei bimetalice si deci deschiderea circuitului electric, avand ca urmare intreruperea sistemului de incalzire.

4. Detectoare termice

Pricipiul lamei bimetalice este aplicat si la constructia detectoarelor termice de incendiu. Acestea utilizeaza efectul caloric al unui inceput de incendiu pentru a provoca topirea sau dilatarea unui element de actionare, legat la contactele unui releu electric amplasat in detector.

Este de remarcat faptul ca instalatiile automate de stingere cu apa (sprinkler) sunt echipate cu elemente de declansare termosensibile din aliaj eutectic, care se topeste la o temperatura determinata sau cu o capsula continand un lichid care se dilata provocand spargerea capsului, de asemenea la o temperatura prestabilita. Topirea elementului termosensibil sau spargerea capsulei asigura intrarea in functiune a capului de sprinkler.

Detectorul termostatic declanseaza alarma in momentul cand temperatura atinge o valoare fixa, pentru care a fost etalonat. Se intalnesc doua tipuri de detectoare termostatice: cu lama bimetalica sau cu aliaj eutectic.

Detectorul termostatic cu lama bimetalica declanseaza alarma prin deschiderea unui circuit electric intocmai ca un termoregulator.

Detectoarele termostatice cu aliaj eutectic sunt construite in mod obisnuit pentru a semnaliza atingerea unor temperaturi de 65, 75, 95, 130, 180, 230 sau 280C, corespunzator punctului de topire a aliajului respectiv.

Detector termostatic cu aliaj eutectic. Elementul sensibil la acest tip de detector este un cilindru din aliaj eutectic asezat intre electrodul central si corpul detectorului. La cresterea temperaturii aliajul se topeste ocupand pozitia si inchizand circuitul electric de alarmare.

Ca detectoare mai sunt: detector termostatic cu lama bimetalica, detector termostatic cu aliaj eutectic, detector termostatic cu aliaj fuzibil.

In tara noastra se fabrica termostatice cu element fuzibil.Detectorul termovelocimetric, spre deosebire de precedentele, actioneaza la o valoare determinata a vitezei de

crestere a temperaturii, independent de valoarea absoluta a acesteia. Ele reactioneaza indata ce gradientul (viteza de variatie) temperaturii depaseste pragul indicator al unei incalziri anormale sau al unui inceput de incendiu. In schimb detectoarele termovelocimetrice sunt insensibile la variatii ale temperaturii datorita unor cauze naturale (incalzire normala, radiatie solara etc.) care provoaca gradiente de temperatura mai mici decat valoarea de reglaj.

Detectoarele velocimetrice sunt construite pentru gradiente de temperatura cuprinse intre 2 si 20C pe minut. In functie de elementul sensibil, deosebim detectoare la care variatia temperaturii este inregistrata prin dilatarea unor corpuri solide, lichide sau gazoase sau prin producerea unui curent electric intr-o serie de termoelemente.

Spre exemplu, se poate construi un detector termovelocimetric utilizand doua lamele bimetalice cu viteze de dilatare diferite. Se poate actiona in sensul micsorarii vitezei de dilatare, deci a sensibilitatii, prin ingrosarea lamelei

bimetalice sau prin introducerea ei intr-o teaca izolatoare. In cazul unei cresteri lente a temperaturii cele doua lamele bimetalice (a si b) se dilata in mod egal pastrand contactul electric. Daca variatia temperaturii este rapida atunci datorita inertiei termice, lamelele a reactioneaza cu intarziere, in raport cu lamelele b si contactul electric se intrerupe declansand semnalul de alarma. Sensibiliatea detectoarelor cu lamele bimetalice este de ordinul a 6C/min.

La un alt tip de detectoare termovelocimetrice elementul sensibil este constituit dintr-un recipient de aer care actioneaza asupra unei membrane sau asupra unui piston calibrat care comanda contactele unui releu cu deschidere brusca. Incalzirea rapida a aerului din recipient provoaca dilatarea acestuia si, sub actiunea presiunii create, membrana sau pistonul este impins eliberand contactele releului. Recipientul de aer este prevazut cu o supapa destinata sa compenseze dilatarea aerului pe care il contine, cand temperatura creste lent.

Pentru o mai mare siguranta sistemul de detectoare termovelocimetrice se asociaza cu unul termostatic fapt care ofera posibilitatea sa se declanseze alarma la atingerea valorii de consemn a temperaturii (exemplu 73C) in ipoteza unei cresteri lente care nu ar afecta detectorul termovelocimetric.

Capitolul IV

Legile gazelor

1. Generalitati

Anterior, cand au fost prezentate transformarile de stare ale corpurilor s-a precizat ca gazele se caracterizeaza printr-o slaba coeziune moleculara fapt care face moleculele de gaz sa se miste liber in intreg spatiul pe care il au la dispozitie.

Starea de agitatie a moleculelor ciocnirile moleculelor intre ele sau de peretii recipientului care contine gazul determina o presiune care este cu atat mai mare cu cat creste temperatura.

Practic, se poate observa ca intre cele trei marimi de stare mentionate presiunea, volumul si temperatura exista o anumita interdependenta. Astfel, atunci cand se comprima aerul intr-o pompa de bicicleta, al carei ventil este blocat se constata ca pe masura ce se micsoreaza volumul, prin impingerea pistonului, rezistenta, adica presiunea din copul pompei creste. Sau, atunci cand un balon de cauciuc este supus incalzirii, volumul sau creste datorita dilatarii aerului.

Pentru pompieri, intelegerea fenomenelor legate de comportarea gazelor prezinta un interes aparte, fie ca este vorba de principiile ventilarii in caz de incendiu, de explicarea functionarii unui aparat izolant pentru protectia respiratiei sau de prevenirea exploziilor la butelii cu gaze tehnice.

Relatiile intre marimile de stare ale unui gaz (p, V, T) permit sa se exprime aspectul cantitativ al unor transformari ale gazelor.

2. Legea Boyle-Mariotte

In urma cu trei secole, chimistul englez Robert Boyle (1662) si chimistul francez E. Mariotte (1679) au descoperit independent unul de altul, relatia intre presiunea si volumul unui gaz, cand temperatura se mentine constanta.

O experienta simpla permite sa se verifice aceasta relatie. Deasupra unui piston care astupa etans un cilindru, se asaza la o greutate G. Pistonul va cobora pana la o inaltime h. Se dubleaza greutatea asezata pe piston si se constata ca aceste va cobora pana la inaltime h/2. Se repeta experienta cu alte greutati asezate deasupra pistonului si se noteaza inaltimile corespunzatoare. Se constata ca inaltimea (deci volumul gazului) se micsoreaza de fiecare data in aceeasi proportie in care a crescut apasarea (presiunea):

a) p1 = G V1 = h x S p1V1 = G h S

b) p2 = 2 G = 2 p1 V2 = h S = V1 p2V2 = 2 p1 V1 = p1V1 S 2 2 2

c) p3 = 3 G = 3 p1 V3 = h S = V1 p3V3 = 3 p1 V1 p1V1 S 3 3 3

Cu alte cuvinte p1V1 = p2V2 = p3V3 = constantRezulta ca, la temperatura constanta, volumele aceleiasi mase de gaz invers proportionanle cu presiunile exercitate

asupra gazului.Se poate deci, enunta legea Boyle-Mariotte:Intr-o transformare la temperatura constanta a unui gaz, produsul intre presiunea si volumul gazului este constant.Reprezentand grafic valorile presiunii si volumului unui gaz, la temperatura constanta, se obtine o curba, care se

numeste izoterma (curba de temperatura constanta). La cresterea temperaturii curbele se departeaza de axele de coordonate, mentinandu-si insa aceeasi alura.

Legea Boyle-Mariotte isi gaseste aplicatii in construirea barometrelor.

3. Legea Gay Lusac (legea incalzirii gazelor la presiune constanta)

Experienta demonstreaza ca, prin incalzire, gazele se dilata mult mai mult decat corpurile lichide sau solide. Daca se ia un balon de sticla prevazut cu un tub orizontal, cu sectiune constanta, in care se gaseste o bula de mercur, si se introduce intr-un vas cu apa incalzita se constata ca, pe masura ce temperatura aerului din balon creste, bula de mercur se deplaseaza la dreapta, fapt care indica marirea volumului gazului din balon. Este evident ca in timpul experientiei presiunea in balon se mentine constanta si egala cu presiunea atmosferica, bula de mercur fiind in echilibru, deci supusa aceleiasi apasari de ambele parti.

Facand experiente cu gaze, Gay Lussac a descoperit, la inceputul secolului XIX, legea care-i poarte numele:Un gaz incalzit, la presiune constanta, sufera o variatie a unitatii de volum direct proportionala cu variatia

temperaturii, indiferent de natura gazului.Exprimand matematic cele de mai sus se poate scrie:

V = t Vo

unde V este variatia volumului datorita dilatarii;V0 volumul initial; constanta universala denumita coeficient de dilatare a gazelor la presiune constanta.

Valoarea coeficientului este aceeasi pentru toate gazele = __1__ grad-1. 273,15

T variatia temperaturii.Transformarea unui gaz la presiune constanta se numeste transformare izbara si se reprezinta in coordonate p V,

printr-o linie paralela cu axa volumelor. Din formula V = t se poate deduce ecuatia de dilatare a gazelor la presiune constanta. Variatia volumului

VoV este egala cu diferenta intre volumul final si cel initial:

V = V V0

Rezulta:

V V0 = t V0

de unde:

V = V0 + V0 t

sau

V = V0 + V0 t

V = V0 (1 + t)

4. Legea lui Charles (legea incalzirii gazelor sub volum constant)

Se cunoaste pericolul de explozie pe care-l prezinta buteliile de gaz tehnice (oxigen, bioxid de carbon, acetilena etc.) aflate intr-un spatiu cuprins de incendiu. Sub influenta caldurii degajate, presiunea gazului din butelie creste depasind limita de rezistenta a recipientului, fapt care provoaca explozia.

Fizicianul francez Charles (1746 1822) a stabilit ca in cazul incalzirii unui gaz, intr-un volum constant, variatia presiunii raportata la presiunea initiala, este direct proportionala cu variatia temperaturii:

p p0 = t p0

Factorul de proportionalitate a fost denumit coeficient de crestere a presiunii gazelor sub volum constant si are aceeasi valoare numerica pentru toate gazele =__1__ grd-1. 273,15

Pentru evitarea pericolului de explozie in cazul expunerii la temperaturi ridicate, presiunea interioara din buteliile cu gaze tehnice nu trebuie sa depaseasca valorile admisibile. Din acest motiv, recipientele se incarca pana la anumite limite stabilite pentru fiecare gaz.

La buteliile cu gaze comprimate, umplerea se face astfel incat la o temperatura a gazului de + 40C presiunea interioara sa nu depaseasca cu mai mult de 10 la suta presiunea de incarcare indicata pe recipient.

Umplerea buteliilor cu gaze lichefiate conform normelor tehnice are o deosebita importanta, deoarece recipientele fiind inchise complet, la ridicarea temperaturii gazul isi mareste presiunea. Pentru nevoi practice au fost stabilite limite de incarcare maxima a buteliilor cu diferite gaze lichefiate. In tabela 8 sunt date valorile limita de incarcare exprimate in kilograme gaz per litru de capacitate a buteliei.

Coeficientul de crestere a presiunii gazelor sub volum constant este deci o constanta universala independenta de natura gazului sau de parametrii de stare (presiune, volum si temperatura).

Tabela 8

Coeficienti de umplere N pentru butelii de gaze lichefiate

Denumirea gazului N kg/l Denumirea gazului N kg/lAcid clorhidric 0,42 Acid flourhidric 0,80Bioxid de carbon 0,75 Amoniac 0,51Etan 0,275 Bioxid de sulf 1,19Monoclortrifluor-metan 0,90 n-Butan 0,502Acid cianhidric 0,57 Izobutan 0,72Ciclopropan 0,48 Hidrogen sulfurat 0,68Clor 1,19 Monometilamina 0,54Clorura de etil 0,79 Dimetilamina 0,44Clorura de metil 0,78 Trimetilamina 0,34Clorura de vinil 0,75 Monoclordifluormetan 0,90Diclorfluormetan 1,08 Oxid de etilena 0,76Eter metilic 0,56 Propan 0,40Monoetilamina 0,60 Propilena 0,40Fosgen 1,19 Tetraoxid de azot 1,20

Incalzirea gazului intr-un volum constante se numeste transformare izocora si se reprezinta in sistemul de

coordonate p V printr-o dreapta paralela cu axa presiunilor.Pe baza expresiei matematice a legii lui Charles se poate stabili ecuatia de incalzire a gazului sub volum constant:

p = p - po

Atunci

p p0 = t p0

p p0 = p0 t

p = p0 (1 + t)

Formula p = p0 (1 + t) permite sa se aprecieze in mod exact pericolul de explozie a unei butelii de gaze supuse incalzirii la un incendiu sau printr-o utilizare necorespunzatoare, in preajma unor surse de caldura.

Considerand presiunea normala intr-o butelie de gaze lichefiate p0 (la 15C) si temperatura degajata la un incendiu de circa 560C (t = 560 15 = 545C) se poate determina presiunea gazului, sub influenta cresterii temperaturii:

p = p0 (1 +_1_ x 545) ~ 3 po. 273

Iata deci ca la un incendiu in cursul caruia se degaja o temperatura de 500 - 600C, presiunea intr-o butelie de gaze lichefiate se tripleaza.

Primejdia este mult mai mare la incendiile izbucnite in parcuri de rezervoare de produse petroliere. Desi acestea sunt prevazute cu supape de siguranta pentru eliminarea suprapresiunilor din spatiul de vapori, exista posibilitatea ca in cazul unui incendiu violent, cu variatie rapida a temperaturii, cresterea presiunii sa fie mai mare decat capacitatea de evacuare a supapei de siguranta, fapt care pune sub semnul indoielii mentinerea integritatii rezervorului. Din acest motiv se recomanda stropirea intensa a rezervoarelor situate in apropierea incendiului. De altfel, in rafinarii, depozite de rezervoare, statii de pompare sau alte obiective ale industriei petroliere se prevad instalatii de stropire cu declansare automata sau manuala, care asigura racirea la nevoie.

5. Teoria cinetico-moleculara a gazelor

Legea Gay Lussac si legea Charles pot fi considerate legi de dilatare a gazelor. Teoria cinetico-moleculara a gazelor ofera explicatia logica a comportarii gazelor sub efectul crsterii temperaturii. In miscarea lor moleculele se ciocnesc unele de altele precum si de peretii recipientilor in care se afla; acest fenomen determina presiunea gazului. Este de inteles ca odata cu cresterea temperaturii se majoreaza energia moleculara; creste deci viteza lor si implicit creste numarul ciocnirilor, adica presiunea.

Pentru a se mentine presiunea constanta trebuie sa se mareasca spatiul dintre molecule, deci volumul gradului, astfel ca variatia vitezei moleculelor determinata de cresterea temperaturii sa fie acoperita de necesitatea pracurgerii unor distante mari. In acest fel numarul ciocnirilor produse in unitatea de timp nu se va schimba.

Cea mai scazuta temperatura zero absolut. Legea lui Charles permite sa se determine pe cale teoretica cea mai scazuta temperatura, cu alte cuvinte zeroul absolut. Conform teoriei cinetico-moleculare presiunea unui gaz este expresia starii de agitatie termica a moleculelor. Cu cat scade temperatura, numarul de ciocniri ale moleculelor, in unitatea de timp, se micsoreaza. La limita, racind un gaz perfect la cea mai scazuta temperatura posibilila, se reduce orice agitatie termica, moleculele ramanand, teoretic, nemiscate. In acest caz presiunea gazului devine egala cu zero, adica:

p = p0 (1 + t) = 0

Presiunea p0 are o valoare finita. In acest caz trebuie ca expresia 1 + t sa fie nula:

1 + t = 0

de unde:

t = - 1 = - 273,15C

Deci la temperatura de 273,15C orice miscare moleculara ar trebui sa inceteze.Reamintim ca aceasta valoare este considerata origine a temperaturii pe scara Kelvin.

6. Legea gazelor perfecte

In legile gazelor expuse mai sus s-a considerat pe rand unul din parametrii de stare constant: legea Boyle-Mariotte se refera la transformari izoterme (la temperatura constanta), legea Gay Lussac la transformari izobare (la presiune constanta), iar legea lui Charles la transformari izocore (sub volum constant). Aceste trei legi particulare pot fi reunite intr- lege generala, stabilita in 1834 de fizicianul Clapeyron.

Se considera un gaz avand parametrii de stare initiala p0, V0, t0 = 0 C si de stare finala p, V, t. Valorile parametrilor de stare nu depind de drumul urmat in transformea gazului: se poate considera o transformare complexa, in care variaza simultan toti parametrii sau transformari combinate compuse din doua transformari simple, de exemplu, transformarea izocora urmata de o destindere izoterma ori o transformare izobara urmata de o comprimare izoterma. Bineinteles ca pot fi urmate orice alte cai de transformare a gazului, acestea neavnd influenta asupra parametrilor de stare intiala si finala.

Prin incalzirea gazului sub volum constant presiunea sa va creste de la valoarea p0 la valoarea pB conform relatiei data de legea lui Charles:

pB = p0 (1 + t)

Destinzand gazul, se aplica legea Boyle-Mariotte:

pB VB = pz Vz = p V = constant

sau, inlocuind pB cu p0 (1 + t) si VB cu VA = V0 rezulta

p0 (1 + t) V0 = p V

Se obtine legea generala de transformare a unui gaz perfect:

p V= p0 V0 (1 + t)

sau, deoarece = = __1__ grd-1, 273,15

p V = p0 V0 (1 + t)

Facand constante, pe rand, cate una din marimile de stare ale gazului regasim legile particulare de transformare a gazelor:

Transformarea izoterma t = 0 (legea Boylle-Mariotte):

p V = p0 V0

Transformarea izobara (legea Gay-Lussac). p = p0:

p V = p V0 (1 + t)adica

V = V0 (1 + t).

Transformarea izocora V = V0 (legea lui Charles)

p V = p0 V0 (1 + t)

p = p0 (1 + t)

7. Ecuatia gazelor perfecte in functie de temperatura absoluta

Daca se exprima temperatura in grade Kelvin, legea gazelor perfecte capata o forma simplificata.Se considera starea initiala a gazului avand parametri de stare p0, V0 si t0 = 0C. In acest caz variatia de

temperatura t va fi numeric egala cu temperatura t a starii finale, deci formula p V = p0 V0 (1 + t) va avea forma:

p V = p0 V0 (1 + t)

saup V = p0 V0 ( 1 + t)

dar1 + t = 1 + t = 273,15 + t

__1__ 273,15

Conform formulei (9): 273,15 + t = TAtunci

p V = p0 V0 T

Inlocuind

= __1__ = 1 273,15 T0

rezulta p V = p0 V0 T

T0

sau p V = p0 V0

T T0

Expresia p0 V0 este constanta, p0, V0 si T0 fiind parametrii de stare ai gazului, la 0C. T

Rezulta legea gazelor perfecte pentru o anumita cantitate de gaz:

p V = constant T

8. Gaze reale

In rationamentele pentru demonstrarea legilor gazelor s-a admis ipoteza simplificatoare a existentei unor molecule punctiforme de gaz, ale caror dimensiuni nu influenteaza comportarea gazului si parametrii sai de stare.

Practic insa, desi foarte reduse, dimensiunile moleculelor au totusi valori ce trebuie luate in consideratie atunci cand gazul este puternic comprima. Atat timp cat se mentin distante mari intre molecule iar fortele de coeziune sunt reduse, adica la presiuni scazute, ipozeta simplificatoare mentionata este valabila si nu produce erori mari, dar daca se comprima puternic gazul se atinge o presiune limita la care moleculele se aproprie atat de mult incat spatiile intermoleculare dispar. Peste aceasta limita gazul nu mai poate fi comprimat deoarece moleculele sunt incompresibile. Deci la presiuni mari legea Boyle-Mariotte si legile de dilatare ale gazelor nu mai sunt riguros exacte.

La presiuni foarte mari volumul scade mult mai incet decat prevede legea comprimarii gazelor si ca urmare produsul p.V nu mai ramane constant, crescand odata cu presiunea.

Pentru presiuni curent intalnite in tehnica de ordinul catorva zeci de atmosfere, erorile produse prin asimilarea gazelor reale cu gazele perfecte nu sunt prea mari. La presiuni mai mari, in functie de precizia ceruta calculelor este necesar sa se tina seama de comportarea gazelor reale si sa se introduca coeficienti de corectie corespunzatori, atat pentru presiuni cat si pentru volume.

Conform teoriei cinetico-moleculare a gazelor, ciocnirile moleculelor de gaz de peretii vasului in care se afla determina valoarea presiunii. Fortele de atractie dintre molecule fac ca ciocnirea de pereti sa fie mai slaba, rezultand o presiune mai mica decat cea calculata teoretic, in absenta acestor forte.

Trebuie deci sa se adauge la presiunea manometrica a gazului o valoare cu atat mai mare cu cat moleculele sunt mai apropiate, deci invers proportionala cu volumul. Dar presiunea este afectata nu numai forta de ciocnire a moleculelor ci si de numarul acestor ciocniri in unitatea de timp, care este de asemenea invers proportional cu volumul. In final deci corectia ce trebuie efectuata va fi invers proportionala cu patratul volumului, coeficientul de proportionalitate fiind o constanta caracteristica fiecarui gaz:

p1 = p + a V

Volumul in care se misca moleculele de gaz este egal cu volumul ocupat de gaz din care se scade volumului propriu al moleculelor, care a fost neglijat in cazul gazelor perfecte. In aceasta situatie volumul care trebuie luat in calcul va fi V1 = V b, unde b este de asemenea o constanta caracteristica a gazului.

Inlocuind valorile p1 si V1 in ecuatia gazelor perfecte se obtine ecuatia pentru gaze reale:

(p + a ) (V - b) = constant V

Capitolul V

Transmiterea caldurii

1. Generalitati

Caldura produsa de o sursa termica se raspandeste in spatiul inconjurator sau se transmite corpurilor aflate in contact direct cu sursa.

Se deosebesc trei moduri de transmitere a caldurii: prin conductie, convectie si radiatie.Transmiterea caldurii se face intotdeauna de la sursa calda catre cea rece, acest proces continuand pana la

egalizarea temperaturilor. Procesul de propagare a caldurii, al trecerii de la sursa calda catre alte corpuri cu temperatura mai scazuta, poate fi incetinit sau extins in timp, dar in nici un caz nu poate fi impiedicat cu totul.

2. Transmiterea caldurii prin conductie

Cand doua corpuri, avand temperaturi diferite, se afla in contact direct, caldura trece de la corpul cald catre cel rece, treptat, in toata masa corpului, datorita miscarilor moleculare. Fenomenul se petrece intocmai ca atunci cand se incalzeste o parte a unui corp si caldura se transmite in toata masa sa, fara ca materia sa se deplaseze sau sa sufere deformatii. Astfel daca se introdu