Energia, energonica si termodinamica

PREFATA

Cand se naste o Noua Stiinta sau o Ramura a unei Stiinte existente sau o Stiinta de Sinteza (intre mai multe stiinte existente) sau o Stiinta Unificatoare (intre mai multe ramuri ale unor stiinte existente) este intotdeauna necesara o „analiza comparativa” cu ceea ce exista deja, precum si „o justificare” a necesitatii dezvoltarii/inventarii acesteia.

Exact asta face Profesorul Valeriu Jinescu in noua sa carte intitulata de domnia sa foarte sugestiv (in sensul de mai sus-comparativ): „Energia, Energonica si Termodinamica”.

Energonica este o creatie a dumnealui, si a aparut in anul 1997 prin cartea intitulata „Energonica” dupa cum se arata in Cuvant inainte si in capitolul 2.

Asa cum arata cu foarte multe exemple celebre, aparitia unei noi idei, intr-o stiinta existenta deja, sau a unor noi idei care pun bazele unei Noi Stiinte sau a unei noi Metode de cercetare, sau a unei noi Ramuri a unei Stiinte existente, aceasta se intampla cu mari eforturi de confirmare a utilitatii si chiar a necesitatii aparitiei acesteia.

Profesorul Jinescu, in noua sa carte arata cu foarte multe argumente tocmai necesitatea si utilitatea Energonicii pentru studiul proceselor ireversibile partial sau total (de obicei cu viteza finita) a unor materiale care nu au fost studiate suficient sau chiar deloc din acest punct de vedere (al ireversibilitatii) in alte domenii ale stiintei, sau care chiar daca au fost studiate rezultatele existente sunt incomplete si nu indeajuns de validate…

Folosind conceptul de Energie – atat de general (poate cel mai general dupa Einstein) – precum si Principiul Conservarii Energiei (care in Termodinamica se cheama Principiul I al Termodinamicii) era absolut necesara “pozitionarea“ Energonicii in raport cu alte Stiinte, sau ramuri ale diverselor stiinte, in care se utilizeaza conceptul de Energie si Principiul I al Termodinamicii.

Adesea Termodinamica este numita Stiinta Generala a Energiei (dupa Baehr – reputat Profesor german care a dezvoltat Metoda Exergetica, dupa inventarea acestui concept de catre Zoran Rant).

Albert Einstein a considerat Termodinamica cea mai generala Stiinta, pentru ca dupa opinia sa Principiul I si Principiul II ale Termodinamicii sunt cele mai generale legi cunoscute, care se aplica intregului Univers, de la microcosmos, la macrocosmos si apoi la orice parte in Univers…

Desi Termodinamica este cea mai generala Stiinta, anumite metode sau/si ramuri ale acesteia nu au reusit, si probabil nu vor reusi sa rezolve problemele ridicate, studiate, aprofundate in Energonica. Astfel, din pacate:

– Metoda Exegetica nu se poate folosi in domeniul studiat de Profesorul Jinescu in Energonica… (materiale, lichide foarte vascoase, solide, plastice, elastoplastice…).

– Nici Metoda Entropica de apreciere a ireversibilitatii (inventata de Prof. Bejan Adrian) nu se poate folosi, fiindca in acest domeniu al Energonicii procesele studiate (in Masinile de procesare a materialelor, de exemplu) sunt fie foarte ireversibile, fie total ireversibile (de exemplu ruperea, sau schimbarea radicala a formei) pentru care „nu se poate concepe un proces reversibil de revenire la starea initiala, pentru a putea calcula Entropia clasica a lui Clausis (dS=?Qrev/T);

– Nici Termodinamica in Timp Finit (TTF) (Curtzon-Ahlborn-Chambadal-Novicov) nu poate fi folosita, in studiul materialelor si proceselor studiate in Energonica, fiindca TTF se ocupa doar de ireversibilitatile externe, pe cand Energonica se ocupa atat cu ireversibilitatile externe cat si cu cele interne. De aceia TTF a fost criticata foarte aspru de Prof. Moran si Prof. Giftopoulos, care au decis la un Congres ASME (American Society of Mechanical Enginering) sa nu se mai publice lucrari in „domeniul TTF” in USA, inca de acum cca. 10 ani;

– Nici Termodinamica cu Viteza Finita (TVF) (L. Stoicescu, S. Petrescu, C. Harman, M. Costea et. al.) nu putea sa rezolve problemele abordate in Energonica, pentru ca aceasta (TVF) a fost construita cu intentia de a ajunge la Validarea si Optimizarea doar a Masinile Termice, si nu pentru Masinile de procesare a materialelor. Aceasta (TVF) a putut, poate, doar sa-l inspire pe Profesorul Jinescu sa dezvolte o Noua Expresie Matematica a Principiului I pentru materialele si procesele ireversibile studiate in cadrul Energonicii, atat de importante pentru proiectarea optimizata a Masinilor de Proces, total diferite ca scop si constructie de Masinile Termice (Masini Motoare, Turbine, Compresoare, Detentoare, Masini Frigorifice, Pompe de Caldura).

Intre formularea matematica a Principiului I a lui Plank si cea a lui Clausius, profesorul Jinescu a ales sa foloseasca pe cea a lui Clausius, in care Caldura este „energia de actiune” (in terminologia lui Jinescu), impreuna cu Lucrul mecanic de schimbare a formei, si de deplasare a materialului (in masinile de lucru: laminare, trefilare, extrudare, etc…) care sunt „energii efect”, impreuna cu schimbarea Energiei interne termice.

In ceea ce priveste folosirea Principiului II in Energonica, Prof. Jinescu adopta o pozitie sugerata foarte ferm de Ilya Prigogine (intemeietorul Termodinamicii Fenomenologice Ireversibile impreuna cu Profesorul sau Onsager), anume alege alt criteriu de apreciere cantitativa a ireversibilitatii, nu cu ajutorul Entropiei, care nu se poate calcula pentru materialele si procesele studiate in Energonica, fiindca in aceste procese sistemul studiat este foarte departe de echilibru. Prigogine spune textual ca in acest caz Entropia Clasica a lui Clausius nu se mai poate folosi, si ca e necesara introducerea unor altor criterii de apreciere a ireversibilitatii, poate similare cu „entropia clasica” dar categoric diferite de aceasta. Tocmai asta face Profesorul Jinescu folosind caldura de frecare interna si externa, precum si energia disipata ireversibil datorita neuniformitatii marimilor intensive, pentru aprecierea ireversibilitatii.

Adoptarea acestui nou criteriu de apreciere cantitativa a ireversibilitatii, „nu afecteaza cu nimic” folosirea in continuare a entropiei clasice a lui Clausius, sau a entropiei statistice a lui Boltzmann, in domeniile in care aceasta deja a adus contributii fundamentale si esentiale (Termodinamica Chimica si Electrochimica cu folosirea potentialului Gibbs (?G=?H-T.?S), in care intra Entropia clasica a lui Clausius; Termodinamica Statistica, in care se foloseste Entropia lui Boltzmann, Metoda Entropica, Metoda Exergetica, Exergo-Economie, Informatica in care se foloseste Entropia lui Shannon, inspirata dupa formula lui Boltzmann, folosita la optimizarea retelelor de transmitere si prelucrare a informatiilor).

Am facut aceasta mentiune pentru ca „eventualele critici” ale Energonicii de catre specialistii din domeniile mai sus mentionate, sa nu considere ca introducerea unui nou criteriu de apreciere a ireversibilitatii poate conduce „la negarea” sau „abandonarea folosirii” Entropiei Clasice (Clausius sau a lui Boltzmann) in acele domenii, sau in Metoda Entropica (Bejan), sau in metoda Exergetica (Rant-Baehr-Radcenco-Nerescu).

In concluzie:

– aparitia Energonicii si a Analizei Comparative cu alte Stiinte sau ramuri ale stiintei (Termodinamica Reversibila Clasica, TVF, TFT etc.), realizate de Profesorul Jinescu in noua sa carte „Energia, Energonica si Termodinamica” este o realizare extrem de interesanta, importanta si utila, un nou capitol al stiintei cu numeroase aplicatii, intre altele in Stiinta Materialelor si a procesarii acestora, folosind din plin conceptul de Energie, dar si alte principii din alte domenii ale stiintei (inclusiv Principiul I si Principiul II din Termodinamica), si – mai ales – noile principii si legi descoperite si introduse de dansul;

– „Energia, Energonica si Termodinamica” este o carte in totalitate originala, unica si fara egal in literatura stiintifica internationala; ea reprezinta o contributie de exceptie a autorului ei, Prof. univ. emerit dr. ing. Valeriu V. Jinescu, la evolutia stiintei, un mare pas inainte catre stiinta viitorului.

Prof. univ. emerit dr. ing. Stoian PETRESCU
Universitatea Politehnica din Bucuresti
Bucknell University, Lewisburg, PA, SUA

CUPRINS

Prefata IX
Cuvant inainte XIII
Introducere XVII

1. Energia 1
1.1. Problemele energiei 1
1.2. O istorie inversata 3
1.3. Materia si energia 5
1.4. Conceptul de energie 6
1.4.1. Conceptul de energie ca marime fizica 6
1.4.2. Conceptul de energie in rezolvarea problemelor stiintifice 9
1.5. Definirea conceptului de energie 10
1.6. Energia mecanica de proces si energia termica de proces 11
1.7. Energia si timpul 18
1.8. Puterea 21
1.9. Categorii si forme de energie 23
1.9.1. Energii de miscare 23
1.9.1.1. Energia mecanica 24
1.9.1.2. Energia electrica 28
1.9.1.3. Energia termica 30
1.9.2. Energii potentiale 31
1.9.2.1. Energia potentiala gravitationala 32
1.9.2.2. Energia potentiala de deformare elastica 34
1.9.2.3. Energia de legatura 35
1.9.2.3.1. Energia de coeziune moleculara 36
1.9.2.3.2. Energia de legatura chimica 39
1.9.2.3.3. Energia de legatura atomica si energia
de disociere a legaturii 42
1.9.2.3.4. Energia de legatura nucleara 43
1.9.2.3.5. Concluzii cu privire la energia de legatura 47
1.9.3. Energia de repaus 48
1.10. Energia de activare 49
1.11. Calitatea energiei 52
1.11.1. Degradarea energiei termice 52
1.11.2. Calitatea energiei fizice 55
1.11.3. Calitatea bioenergiei 56
1.12. Energii de actiune si energii efect 58
1.13. Stari si energii critice 62
1.13.1. Generalitati 62
1.13.2. Energia critica si energia specifica critica 62
1.13.3. Exemple de stari si energii critice 64
1.14. Conversia reciproca a diferitelor forme de energie si generarea energiei 76
1.15. Problema generala a conservarii energiei 87
Anexa 1.1. Solutii tehnice pentru reducerea consumului de energie 92
Anexa 1.2. Sursele si resursele de energie 101
Anexa 1.3. Energia, societatea si provocarile viitorului 111
Anexa 1.4. Convertirea unitatilor de masura a energiei 114
Anexa 1.5. TIMPUL 115
Anexa 1.6. Convertirea unitatilor de masura a puterii 116
Anexa 1.7. Prefixe pentru multiplii si submultiplii unitatilor de masura 117
Anexa 1.8. Exemplu practic de stocare a energiei 118
Anexa 1.9. Valorile energiei de legatura chimica* pentru legaturile simple, in kJ•mol-1 120
Anexa 1.10. Energia de activare a unor polimeri 121
Bibliografie 122

2. Energonica 125
2.1. Modelarea comportarii materiei supusa la o anumita solicitare 126
2.1.1. Modelare matematica a comportarii materiei 126
2.1.1.1. Legi de comportare a materiei 126
2.1.1.2. Dependenta comportarii materiei de viteza
de solicitare termomecanica 131
2.1.2. Modelare termomecanica a comportarii materiei 138
2.1.3 Modelare termochimica a comportarii materiei 142
2.2. Bazele fizice ale ireversibilitatii 145
2.3. Principiile Energonicii 147
2.3.1. Concepte 147
2.3.2. Principiile 149
2.3.3. Principiul conservarii energiei (in formulare cauzala) 150
2.3.4. Principiul ireversibilitatii 155
2.3.5. Principiul accesibilitatii energiei 158
2.3.6. Principiul energiei critice 164
2.3.7. Principiul reluctantei 180
2.3.8. Principiul minimei actiuni 183
2.3.9. Natura agreeaza minimele 185
2.3.10. Unele concluzii referitoare la principiile Energonicii 188
2.4. Legile Energonicii 189
2.4.1. Legea starilor critice ale materiei 189
2.4.2. Legea echivalentei proceselor si fenomenelor 190
2.4.3. Legea coexistentei si complementaritatii ordinii si dezordinii 192
2.4.4. Legea regimurilor tranzitorii 195
2.5. Metoda Energonicii 196
Anexa 2.1. Exemple de calcul 200
Anexa 2.2. Anexa 2.2. Aplicatii ale principiului energiei critice in domeniul corpurilor solide si al unor fluide 202
Anexa 2.3. Aplicatii ale principiului energiei critice la organismele vii 212
Anexa 2.4. Efectul moderator al reluctantei 216
Bibliografie 219

3. Termodinamica 222
3.1. Elemente de baza ale Termodinamicii 222
3.1.1. Introducere 222
3.1.2. Generalitati 222
3.1.3. Legile de comportare ale materiei in Termodinamica 224
3.1.4. Postulatele Termodinamicii 226
3.1.5. Principiile Termodinamicii 226
3.1.5.1. Principiul zero al Termodinamicii 226
3.1.5.2. Principiul intai al Termodinamicii 226
3.1.5.3. Principiul intai in Termodinamica ireversibila cu viteza finita 229
3.1.5.4. Principiul al doilea al Termodinamicii 234
3.1.5.5. Principiul al treilea al Termodinamicii 239
3.2. Lucrul mecanic, caldura, energia interna si puterea mecanica in functie de comportarea gazului 240
3.3. Lucrul mecanic si caldura in procesele cu solide si lichide in functie de comportarea acestora la solicitari externe 247
3.3.1. Corpuri solide 247
3.3.2. Lichide 249
Anexa 3.1. Legi caracteristice proceselor de transmitere a caldurii 251
Anexa 3.2. Exemple de utilizare a relatiilor termodinamicii cu viteza finita [7;8;34] pentru procese termodinamice in gaze 254
Anexa 3.3. Procese termomecanice in lichide 258
Bibliografie 264

4. Reflectii si observatii cu privire la Energonica si Termodinamica 266
4.1. Problema comportarii materiei 266
4.2. Observatii asupra unor concepte ale Termodinamicii 271
4.3. Observatii asupra principiului conservarii energiei 272
4.3.1. Relatii pentru lucrul mecanic de variatie a volumului, pentru lucrul mecanic de variatie a formei si lucrul mecanic pentru invingerea frecarii externe in cazul general al comportarii neliniare, functie de putere, a materiei 273
4.3.2. Sinteza rezultatelor obtinute la aplicarea principiului conservarii energiei in Energonica si in Termodinamica 275
4.4. Observatii asupra ireversibilitatii si asupra principiului al doilea al Termodinamicii 277
4.4.1. Unele observatii si puncte de vedere asupra esentei principiului al doilea al Termodinamicii 277
4.4.2. Ireversibilitatea in Energonica 279
4.4.3. Principiul al doilea al Termodinamicii din perspectiva Energonicii 281
4.5. Comentarii cu privire la principiile I si II ale Termodinamicii 282
4.5.1. Comentarii asupra primului principiu al termodinamicii 282
4.5.2. Comentarii asupra celui de al doilea principiu al termodinamicii 284
4.6. Termodinamicile si Energonica 289
4.7. Unele concluzii referitoare la Termodinamica si la Energonica 290
Bibliografie 293