Termodynamika techniczna: pojęcia podstawowe. Na czym polega nauka termodynamiki technicznej?

Badanie zależności między energią a entropią jest tym, co bada termodynamika techniczna. Obejmuje cały zestaw teorii, które wiążą makroskopowe mierzalne właściwości (temperatura, ciśnienie i objętość) z energią i jej zdolnością do wykonywania pracy.

Wstęp

Pojęcia ciepła i temperatury są najbardziej podstawowe dla termodynamiki technicznej. Można ją nazwać nauką o wszystkich zjawiskach, które zależą od temperatury i jej zmian. W fizyce statystycznej, której jest obecnie częścią, jest to jedna z wielkich teorii, na której opiera się obecne rozumienie materii. Układ termodynamiczny definiuje się jako ilość materii o stałej masie i tożsamości. Wszystko, co zewnętrzne wobec niego, jest środowiskiem, od którego jest oddzielone granicami. Zastosowania termodynamiki technicznej obejmują takie konstrukcje jak:

• klimatyzatorów i lodówek;
• turbosprężarki i doładowania w silnikach samochodowych;
• Turbiny parowe w elektrowniach;
• silników odrzutowych w samolotach.

Ciepło i temperatura

Każdy ma intuicyjną znajomość pojęcia temperatury. Ciało jest gorące lub zimne, w zależności od tego, czy jego temperatura jest większa czy mniejsza. Ale dokładna definicja jest bardziej skomplikowana. W klasycznej termodynamice technicznej istniała definicja temperatura bezwzględna ciała. Doprowadziło to do powstania skali Kelvina. Minimalna temperatura dla wszystkich ciał to zero Kelvina (-273,15° C). Jest to zero absolutne, pojęcie wprowadzone po raz pierwszy w 1702 roku przez francuskiego fizyka Guillaume Amontona.

Ciepło jest trudniejsze do zdefiniowania. Termodynamika techniczna interpretuje to jako losowy transfer energii z układu do zewnętrznego medium. Odpowiada ona energii kinetycznej cząsteczek poruszających się i poddanych losowym udarom (ruch Browna). Przekazana energia nazywana jest energią nieuporządkowaną na poziomie mikroskopowym, w przeciwieństwie do uporządkowanej energii wykonanej poprzez pracę na poziomie makroskopowym.

Stan materii

stan skupienia materii to opis rodzaju struktury fizycznej, jaką wykazuje dana substancja. Posiada właściwości opisujące jak materiał zachowuje swoją strukturę. Istnieje pięć stanów skupienia materii:

• gaz;
• płyn;
• solid body;
• plazma;
• superfluid (najrzadszy).

Wiele substancji może przechodzić między fazą gazową, ciekłą i stałą. Plazma jest specjalnym stanem materii, jak błyskawica.

Pojemność cieplna

Pojemność cieplna (C) to stosunek zmiany ciepła (ΔQ, gdzie grecki symbol Delta oznacza ilość) do zmiany temperatury (ΔT):

C = Δ Q / Δ T.

Wskazuje łatwość, z jaką substancja się nagrzewa. Dobry przewodnik termiczny ma małą pojemność. Silny izolator ma dużą pojemność cieplną.

Terminologia

Każda nauka ma swoje unikalne słownictwo. Do podstawowych pojęć termodynamiki technicznej należą:

1. Wymiana ciepła to wzajemna wymiana temperatur pomiędzy dwoma substancjami.
2. Podejście mikroskopowe - badanie zachowania każdego atomu i cząsteczki (mechanika kwantowa).
3. Podejście makroskopowe - obserwacja ogólnego zachowania wielu cząstek.
4. Układ termodynamiczny - wybrana do badania ilość materii lub obszar w przestrzeni.
5. Środowisko - wszystkie systemy zewnętrzne.
6. Indukcja - ciepło jest przekazywane przez rozgrzane ciało stałe.
7. Konwekcja - podgrzane cząsteczki oddają ciepło innej substancji.
8. Promieniowanie - ogrzewanie jest przekazywane za pomocą fal elektromagnetycznych, np. ze słońca.
9. Entropia - w termodynamice wielkość fizyczna służąca do charakteryzowania procesu izotermicznego.

Przeczytaj więcej o nauce

Traktowanie termodynamiki jako odrębnej dyscypliny fizyki nie jest całkiem słuszne. Dotyka niemal wszystkich obszarów. Bez zdolności układu do wykorzystania jego energii wewnętrznej do wykonania pracy, fizycy nie mieliby czego badać. Jest też kilka bardzo przydatnych dziedzin termodynamiki:

1. Ciepłownictwo. Analizuje dwie możliwości przekazywania energii: pracę i ciepło. Dotyczy oceny przekazywania energii w substancji roboczej maszyny.
2. Kriofizyka (kriogenika) - nauka o niskich temperaturach. bada właściwości fizyczne substancji w warunkach, które można doświadczyć nawet w najzimniejszych regionach świata. Przykładem tego jest badanie superfluidów.
3. Dynamika płynów - badanie właściwości fizycznych płynów.
4. Fizyka wysokich ciśnień. Bada właściwości fizyczne substancji w układach skrajnie wysokociśnieniowych związanych z dynamiką płynów.
5. Meteorologia to naukowe badanie atmosfery, które koncentruje się na procesach pogodowych i prognozowaniu.
6. Fizyka plazmy - badanie materii w stanie plazmy.

Prawo zerowe

Przedmiotem i metodą termodynamiki technicznej są obserwacje eksperymentalne zapisane w postaci praw. Zerowe prawo termodynamiki mówi: gdy dwa ciała mają jednakową temperaturę z trzecim, to z kolei mają one jednakową temperaturę ze sobą. Np: blok miedzi styka się z termometrem aż do uzyskania równej temperatury. Następnie zostaje usunięty. Drugi blok miedzi styka się z tym samym termometrem. Jeśli nie ma zmiany poziomu rtęci, to można powiedzieć, że obie jednostki są w równowadze termicznej z termometrem.

Prawo pierwsze

Prawo to mówi: ponieważ układ ulega zmianie stanu, energia może przekroczyć granicę albo jako ciepło, albo jako praca. Każda z nich może być pozytywna lub negatywna. Zmiana netto energii układu jest zawsze równa energii netto, która przekracza granicę układu. Te ostatnie mogą być wewnętrzne, kinetyczne lub potencjalne.

Drugie prawo

Służy do określenia kierunku, w którym może przebiegać dany proces termiczny. To prawo termodynamiki mówi: niemożliwe jest stworzenie urządzenia, które działa w pętli i nie daje żadnego efektu poza przekazywaniem ciepła z ciała o niskiej temperaturze do ciała cieplejszego. Nazywa się je czasem prawem entropii, ponieważ wprowadza jest ważnym nieruchomość. Entropia może być postrzegana jako miara tego, jak blisko układu znajduje się równowaga lub nieporządek.

Proces termiczny

Układ ulega procesowi termodynamicznemu, gdy zachodzi w nim jakaś zmiana energetyczna, zwykle polegająca na przemianie ciśnienia, objętości, temperatury. Istnieje kilka specyficznych typów, które mają specjalne właściwości:

• adiabatyczny - bez wymiany ciepła w układzie;
• Izochoryczny - bez zmiany objętości;
• izobaryczny - bez zmiany ciśnienia
• izotermiczny - bez zmiany temperatury.

Odwracalność

Proces odwracalny to taki, który po zajściu może być odwrócony. Nie pozostawia żadnych zmian w systemie ani w środowisko. Aby system był odwracalny, musi być w równowadze. Istnieją czynniki, które sprawiają, że proces jest nieodwracalny. Na przykład tarcie i niepohamowane rozszerzanie się.

Aplikacja

Wiele aspektów życia współczesnej ludzkości opiera się na technice cieplnej. Należą do nich:

1. Wszystkie pojazdy (samochody, motocykle, wózki, statki, samoloty itp.) działają zgodnie z drugim prawem termodynamiki.) opierają się na drugim prawie termodynamiki i cyklu Carnota. Mogą one korzystać z silnika benzynowego lub wysokoprężnego, ale prawo pozostaje takie samo.
2. Sprężarki powietrza i gazu, dmuchawy, wentylatory pracują w różnych cyklach termodynamicznych.
3. Wymienniki ciepła są stosowane w parownikach, skraplaczach, chłodnicach, schładzaczach, podgrzewaczach.
4. Chłodziarki, zamrażarki, przemysłowe systemy chłodnicze, wszystkie rodzaje systemów klimatyzacji pompy powietrza i pompy ciepła działają dzięki drugiemu prawu.

Termodynamika techniczna obejmuje również badanie różnych typów elektrowni: cieplnych, jądrowych, wodnych, opartych na odnawialnych źródłach energii (takich jak energia słoneczna, wiatrowa, geotermalna), pływach, falach i innych.