Tehnička termodinamika: osnovni pojmovi. Što proučava tehnička termodinamika

Proučavanje odnosa energije i entropije ono je što proučava tehnička Termodinamika. Obuhvaća čitav niz teorija koje povezuju makroskopska svojstva koja se mogu mjeriti (temperatura, tlak i volumen) s energijom i njezinom sposobnošću obavljanja posla.

Uvod

Pojmovi topline i temperature najosnovniji su za tehničku termodinamiku. Može se nazvati znanošću o svim pojavama koje ovise o temperaturi i njezinim promjenama. U statističkoj fizici, čiji je sada dio, to je jedna od velikih teorija na kojoj se temelji sadašnje razumijevanje materije. Termodinamički sustav definira se kao količina tvari fiksne mase i identiteta. Sve izvan nje je okolina od koje je odvojena granicama. Primjena tehničke termodinamike uključuje konstrukcije kao što su:

• Klima uređaji i hladnjaci;
• turbopunjači i superpunjači u automobilskim motorima;
• parne turbine u elektranama;
• mlazni motori u zrakoplovima.

Toplina i temperatura

Svaka osoba ima intuitivno znanje o konceptu temperature. Tijelo je vruće ili hladno, ovisno o tome je li njegova temperatura više ili manje visoka. Ali točna definicija je složenija. U klasičnoj tehničkoj termodinamici dana je definicija apsolutne temperature tijela. To je dovelo do stvaranja kelvinske ljestvice. Minimalna temperatura za sva tijela je nula Kelvina (-273,15. To je apsolutna nula, čiji se koncept prvi put pojavio 1702. godine zahvaljujući francuskom fizičaru Guillaumeu Amontonu.

Toplinu je teže odrediti. Tehnička Termodinamika tumači ga kao neuredan prijenos energije iz sustava u vanjsko okruženje. Odgovara kinetičkoj energiji molekula koje se kreću i podvrgavaju slučajnim udarcima (brounovo kretanje). Za prenesenu energiju kaže se da je neuredna na mikroskopskoj razini, za razliku od uređene, obavljene radom na makroskopskoj razini.

Stanje tvari

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

• plin;
• tekućina;
• čvrsto tijelo;
• plazma;
• superfluid (najrjeđi).

Mnoge tvari mogu prijeći između plinske, tekuće i čvrste faze. Plazma je posebno stanje materije, poput munje.

Toplinski kapacitet

Toplinski kapacitet (C) je omjer promjene topline (IPAS, gdje grčki simbol Delta označava količinu) i promjene temperature (ipas):

C = Δ Q / Δ T.

Pokazuje lakoću kojom se tvar zagrijava. Dobar toplinski vodič ima nizak indeks kapaciteta. Snažni toplinski izolator ima visok toplinski kapacitet.

Terminologija

Svaka znanost ima svoj jedinstveni rječnik. Glavni pojmovi tehničke termodinamike uključuju:

1. Izmjena topline-međusobna razmjena temperatura između dvije tvari.
2. Mikroskopski pristup-proučavanje ponašanja svakog atoma i molekule (kvantna mehanika).
3. Makroskopski pristup-promatranje općeg ponašanja skupa čestica.
4. Termodinamički sustav - količina materije ili područje u prostoru odabrano za proučavanje.
5. Okoliš - svi vanjski sustavi.
6. Kondukcija-toplina se prenosi kroz zagrijanu krutinu.
7. Konvekcija-zagrijane čestice vraćaju toplinu drugoj tvari.
8. Zračenje-grijanje se prenosi elektromagnetskim valovima, na primjer od sunca.
9. Entropija-u termodinamici je fizička veličina koja se koristi za karakterizaciju izotermnog procesa.

Više o znanosti

Tretiranje termodinamike kao zasebne discipline fizike nije u potpunosti točno. Utječe na gotovo sva područja. Bez sposobnosti sustava da iskoristi unutarnju energiju za obavljanje posla, fizičari ne bi imali što naučiti. Postoji i nekoliko vrlo korisnih područja termodinamike:

1. Toplinska tehnika. Proučava dvije mogućnosti prijenosa energije: rad i toplinu. Povezano s procjenom prijenosa energije u radnoj tvari stroja.
2. Kriofizika ( kriogenika) - znanost o niskim temperaturama. Istražuje fizikalna svojstva tvari u uvjetima koji se doživljavaju čak i u najhladnijem dijelu zemlje. Primjer za to je proučavanje superfluida.
3. Dinamika fluida-proučavanje fizikalnih svojstava tekućina.
4. Fizika visokog tlaka. Istražuje fizikalna svojstva tvari u ekstremno visokim sustavima tlaka povezanim s dinamikom fluida.
5. Meteorologija-znanstveno proučavanje atmosfere koje se usredotočuje na vremenske procese i predviđanje.
6. Fizika plazme-proučavanje tvari u stanju plazme.

Nulti zakon

Predmet i metoda tehničke termodinamike eksperimentalna su promatranja zapisana u obliku zakona. Nulti zakon termodinamike kaže: kada dva tijela imaju jednakost temperature s trećim, oni zauzvrat imaju jednakost temperature jedno s drugim. Na primjer: jedan blok bakra dovodi se u kontakt s termometrom do takvog stanja dok se ne uspostavi jednakost temperature. Zatim se briše. Drugi blok bakra dovodi se u kontakt s istim termometrom. Ako ne dođe do promjene razine žive, tada možemo reći da su obje jedinice u toplinskoj ravnoteži s termometrom.

Prvi zakon

Ovaj zakon kaže: Budući da sustav prolazi kroz promjenu stanja, energija može prijeći granicu ili kao toplina ili kao rad. Svaka od njih može biti pozitivna ili negativna. Neto promjena energije sustava uvijek je jednaka neto energiji koja prelazi granicu sustava. Potonji može biti unutarnji, kinetički ili potencijalni.

Drugi zakon

Koristi se za određivanje smjera u kojem se može odvijati određeni toplinski proces. Ovaj zakon termodinamike kaže: nemoguće je stvoriti uređaj koji radi u ciklusu i ne proizvodi nikakav učinak osim prijenosa topline iz tijela s niskom temperaturom u toplije tijelo. Ponekad se naziva i zakonom entropije, jer uvodi to je važno svojstvo. Entropija se može promatrati kao mjera koliko je sustav blizu ravnoteže ili poremećaja.

Toplinski proces

Sustav prolazi kroz termodinamički proces kada se u njemu dogodi neka vrsta energetske promjene, obično povezana s transformacijom tlaka, volumena, temperature. Postoji nekoliko specifičnih vrsta koje imaju posebna svojstva:

• adijabatski - bez izmjene topline u sustavu;
• izohorno - bez promjene volumena;
• izobarno - bez promjene tlaka;
• izotermno - bez promjene temperature.

Reverzibilnost

Reverzibilan je proces koji se, nakon što se dogodio, može otkazati. Ne ostavlja nikakve promjene ni u sustavu ni u okoliš. Da bi bio reverzibilan, sustav mora biti u ravnoteži. Postoje čimbenici koji proces čine nepovratnim. Na primjer, trenje i neobuzdano širenje.

Primjena

Mnogi aspekti života suvremenog čovječanstva izgrađeni su na temeljima toplinskog inženjerstva. To uključuje:

1. Sva vozila (automobili, motocikli, kolica, brodovi, zrakoplovi itd.) rade na temelju drugog zakona termodinamike i Carnotovog ciklusa. Mogu koristiti benzinski ili dizelski motor, ali zakon ostaje isti.
2. Zračni i plinski kompresori, puhala, ventilatori rade na različitim termodinamički ciklus.
3. Izmjena topline koristi se u isparivačima, kondenzatorima, radijatorima, hladnjacima, predgrijačima.
4. Hladnjaci, Zamrzivači, industrijski rashladni sustavi, sve vrste klimatizacijskih sustava zrak i toplinske pumpe rade zahvaljujući drugom zakonu.

Tehnička Termodinamika također uključuje proučavanje različitih vrsta elektrana: toplinske, nuklearne, hidroelektrane, temeljene na obnovljivim izvorima energije (poput sunca ,vjetra, geotermalne), plime i oseke, valova i drugih.