Tehnička termodinamika: osnovni koncepti. Šta proučava tehnička termodinamika

Proučavanje odnosa između energije i entropije je ono što proučava tehnička termodinamika. Sadrži čitav niz teorija koje upoređuju makroskopska svojstva koja se mogu mjeriti (temperatura, pritisak i zapremina) sa energijom i njenom sposobnošću za obavljanje posla.

Uvod

Koncepti toplote i temperature su najosnovniji za tehničku termodinamiku. Može se nazvati naukom o svim pojavama koje zavise od temperature i njenih promjena. U statističkoj fizici, čiji je sada dio, To je jedna od velikih teorija na kojoj se zasniva sadašnje razumijevanje materije. Termodinamički sistem se definiše kao količina supstance fiksne mase i identiteta. Sve spolja je okruženje od kojeg je odvojeno granicama. Primjena tehničke termodinamike uključuje konstrukcije kao što su:

• klima uređaji i hladnjaci;
• turbopunjači i superpunjači u automobilskim motorima;
• parne turbine u elektranama;
• jet motori u avionima.

Toplota i temperatura

Svaka osoba ima intuitivno znanje o konceptu temperature. Tijelo je vruće ili hladno, ovisno o tome da li je njegova temperatura više ili manje visoka. Ali tačna definicija je komplikovanija. U klasičnoj tehničkoj termodinamici, definicija od apsolutne tjelesne temperature data je . To je dovelo do stvaranja Kelvinove skale. Minimalna temperatura za sva tijela je nula Kelvina (-273,15°c). Ovo je apsolutna nula, čiji se koncept prvi put pojavio 1702. godine zahvaljujući francuskom fizičaru Guillaumeu Amontonu.

Toplotu je teže odrediti. Tehnička termodinamika to tumači kao neuredan prenos energije iz sistema u spoljašnje okruženje. Odgovara kinetičkoj energiji molekula koji se kreću i podvrgnuti nasumičnim uticajima (Brownovo kretanje). Prenesena energija naziva se poremećenom na mikroskopskom nivou, za razliku od uređenog, izvedenog radom na makroskopskom nivou.

Stanje supstance

Stanje materije je opis vrste fizičke strukture koju supstanca pokazuje. Ima svojstva koja opisuju kako materijal održava svoju strukturu. Postoji pet stanja materije:

• gas;
• tečnost;
• čvrsto tijelo;
• plazma;
• superfluid (najrjeđi).

Mnoge supstance mogu prelaziti između gasne, tečne i čvrste faze. Plazma je posebno stanje materije, kao što je munja.

Termički kapacitet

Toplotni kapacitet (C) je odnos promene toplote (ΔQ, gde grčki simbol Delta označava količinu)i promene temperature (ΔT):

C = Δ Q / Δ T.

Pokazuje lakoću s kojom se supstanca zagrijava. Dobar toplotni provodnik ima nizak indeks kapacitivnosti. Jak toplotni izolator ima visok toplotni kapacitet.

Terminologija

Svaka nauka ima svoj jedinstveni vokabular. Osnovni koncepti tehničke termodinamike uključuju:

1. Razmena toplote je međusobna razmena temperatura između dve supstance.
2. Mikroskopski pristup - proučavanje ponašanja svakog atoma i molekula (kvantna mehanika).
3. Makroskopski pristup - posmatranje opšteg ponašanja skupa čestica.
4. Termodinamički sistem - količina supstance ili površine u prostoru odabrana za studiju.
5. Okruženje - svi eksterni sistemi.
6. Provodljivost-toplota se prenosi kroz zagrejanu čvrstu supstancu.
7. Konvekcijsko zagrijane čestice vraćaju toplotu u drugu supstancu.
8. Zračenje-zagrevanje se prenosi elektromagnetnim talasima, na primer, sa sunca.
9. Entropija-u termodinamici je fizička veličina koja se koristi za karakterizaciju izotermnog procesa.

Više o nauci

Tumačenje termodinamike kao zasebne discipline fizike nije sasvim tačno. Utiče na gotovo sva područja. Bez sposobnosti sistema da koristi unutrašnju energiju za obavljanje posla, fizičari ne bi imali šta da proučavaju. Postoji i nekoliko veoma korisnih oblasti termodinamike:

1. Heat engineering. Proučava dvije mogućnosti prijenosa energije: rad i toplota. Odnosi se na procjenu prenosa energije u radnoj supstanci mašine.
2. Kriofizika ( kriogenika) - nauka o niskim temperaturama. Istražuje fizička svojstva supstanci u uslovima doživljenim čak i u najhladnijem regionu zemlje. Primjer za to je proučavanje superfluida.
3. Hidrodinamika - proučavanje fizičkih svojstava tečnosti.
4. Fizika visokog pritiska. Istražuje fizička svojstva supstanci u sistemima izuzetno visokog pritiska povezanim sa dinamikom fluida.
5. Meteorologija je naučna studija atmosfere koja se fokusira na vremenske procese i predviđanje.
6. Fizika plazme - proučavanje materije u stanju plazme.

Nulti Zakon

Predmet i metoda tehničke termodinamike su eksperimentalna zapažanja zabilježena u obliku zakona. Nulti zakon termodinamike kaže: Kada dva tijela imaju temperaturnu jednakost sa trećim, ona zauzvrat imaju temperaturnu jednakost jedno s drugim. Na primer: jedan blok bakra se dovodi u kontakt sa termometrom dok se takvo stanje ne uspostavi ravnopravnost temperature. Zatim se briše. Drugi blok bakra dovodi se u kontakt sa istim termometrom. Ako nema promjene u nivou žive, onda možemo reći da su obje jedinice u toplotnoj ravnoteži s termometrom.

Prvi zakon

Ovaj zakon kaže: kako sistem prolazi kroz promjenu stanja, energija može preći granicu bilo kao toplota ili kao rad. Svaki od njih može biti pozitivan ili negativan. Neto promena energije sistema je uvek jednaka neto energiji koja prelazi granicu sistema. Potonje može biti unutrašnje, kinetičko ili potencijalno.

Drugi zakon

Koristi se za određivanje smjera u kojem se može dogoditi određeni termički proces. Ovaj zakon termodinamike kaže: nemoguće je stvoriti uređaj koji radi u ciklusu i ne proizvodi nikakav drugi efekat osim prenosa toplote sa tela niske temperature na toplije telo. Ponekad se naziva Zakon entropije jer uvodi ovo važno nekretnine. Entropija se može posmatrati kao mjera koliko je sistem blizak ravnoteži ili poremećaju.

Termički proces

Sistem prolazi kroz termodinamički proces kada se u njemu dogodi neka vrsta promjene energije, obično povezane s transformacijom pritiska, zapremine, temperature. Postoji nekoliko specifičnih tipova sa posebnim svojstvima:

• adijabatski-bez razmene toplote u sistemu;
• izohorično - bez promjene jačine zvuka;
• izobaric - bez promjene pritiska;
• izotermna-bez promjene temperature.

Reverzibilnost

Proces se smatra reverzibilnim, koji se, nakon što se dogodi, može otkazati. Ne ostavlja promjene ni u sistemu ni u okruženje. Da bi bio reverzibilan, sistem mora biti u ravnoteži. Postoje faktori koji proces čine nepovratnim. Na primjer, trenje i neobuzdano širenje.

Aplikacije

Mnogi aspekti života modernog čovječanstva zasnovani su na osnovama termotehnike. To uključuje:

1. Sva Vozila (Automobili, Motocikli, kolica, brodovi, avioni, itd..) djeluju na osnovu drugog zakona termodinamike i carnotovog ciklusa. Mogu koristiti benzinski ili dizel motor, ali zakon ostaje isti.
2. Kompresori vazduha i gasa, duvaljke, ventilatori rade na različitom termodinamičkom ciklusu.
3. Razmena toplote se koristi u isparivačima, kondenzatorima, radijatorima, hladnjacima, grejačima.
4. Hladnjaci, Hladnjaci, industrijski rashladni sistemi, sve vrste klima uređaj sistemi i toplotne pumpe rade zahvaljujući drugom zakonu.

Tehnička termodinamika takođe uključuje proučavanje različitih tipova elektrana: termalnih, nuklearnih, hidroelektričnih, zasnovanih na obnovljivim izvorima energije (kao što su solarni, vetar, geotermalni), plima i oseka, talasi i druge.