Badanie związku między energią a entropią jest przedmiotem badań termodynamiki technicznej. Obejmuje cały zestaw teorii, które wiążą mierzalne właściwości makroskopowe (temperatura, ciśnienie i objętość) z energią i jej zdolnością do wykonywania pracy.
Wprowadzenie
Pojęcia ciepła i temperatury są najbardziej fundamentalne dla termodynamiki technicznej. Można ją nazwać nauką o wszystkich zjawiskach zależnych od temperatury i jej zmian. W fizyce statystycznej, której obecnie jest częścią, jest to jedna z wielkich teorii, na których opiera się obecne rozumienie materii. Układ termodynamiczny definiuje się jako ilość materii o ustalonej masie i tożsamości. Wszystko, co jest na zewnątrz, jest środowiskiem, od którego jest oddzielone granicami. Zastosowania termodynamiki technicznej obejmują konstrukcje takie jak:
- klimatyzatory i lodówki;
- turbosprężarki i doładowania w silnikach samochodowych;
- turbiny parowe w elektrowniach;
- reaktywnysilniki lotnicze.
Ciepło i temperatura
Każda osoba ma intuicyjną wiedzę na temat pojęcia temperatury. Ciało jest gorące lub zimne, w zależności od tego, czy jego temperatura jest mniej lub bardziej wysoka. Ale dokładna definicja jest trudniejsza. W klasycznej termodynamice technicznej określano temperaturę bezwzględną ciała. Doprowadziło to do powstania skali Kelvina. Minimalna temperatura dla wszystkich ciał wynosi zero Kelvina (-273, 15°C). To jest zero absolutne, którego koncepcja po raz pierwszy pojawiła się w 1702 roku dzięki francuskiemu fizykowi Guillaume Amonton.
Ciepło jest trudniej zdefiniować. Termodynamika techniczna interpretuje to jako przypadkowy transfer energii z układu do środowiska zewnętrznego. Odpowiada energii kinetycznej cząsteczek poruszających się i poddawanych losowym uderzeniom (ruchy Browna). Przekazywana energia nazywana jest nieuporządkowaną na poziomie mikroskopowym, w przeciwieństwie do uporządkowanej, powstałej poprzez pracę na poziomie makroskopowym.
Stan sprawy
Stan materii to opis typu struktury fizycznej, jaką wykazuje substancja. Posiada właściwości opisujące, w jaki sposób materiał zachowuje swoją strukturę. Istnieje pięć stanów skupienia:
- gaz;
- ciecz;
- ciało stałe;
- plazma;
- superpłyn (najrzadszy).
Wiele substancji może się przemieszczać między fazą gazową, ciekłą i stałą. Plazma to szczególny stan skupieniajak błyskawica.
Pojemność cieplna
Pojemność cieplna (C) to stosunek zmiany ciepła (ΔQ, gdzie grecki znak Delta oznacza ilość) do zmiany temperatury (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Pokazuje łatwość, z jaką substancja jest podgrzewana. Dobry przewodnik termiczny ma niską pojemność znamionową. Mocny izolator ciepła o dużej pojemności cieplnej.
Terminologia
Każda nauka ma swój własny, unikalny słownik. Podstawowe pojęcia termodynamiki technicznej obejmują:
- Przenoszenie ciepła to wzajemna wymiana temperatur między dwiema substancjami.
- Podejście mikroskopowe - badanie zachowania każdego atomu i cząsteczki (mechanika kwantowa).
- Podejście makroskopowe - obserwacja ogólnego zachowania wielu cząstek.
- System termodynamiczny to ilość substancji lub obszaru w przestrzeni wybranej do badań.
- Środowisko - wszystkie systemy zewnętrzne.
- Przewodzenie - ciepło jest przenoszone przez ogrzane ciało stałe.
- Konwekcja - ogrzane cząstki zwracają ciepło do innej substancji.
- Promieniowanie - ciepło jest przenoszone przez fale elektromagnetyczne, na przykład ze słońca.
- Entropia - w termodynamice jest wielkością fizyczną używaną do scharakteryzowania procesu izotermicznego.
Więcej o nauce
Interpretacja termodynamiki jako odrębnej dyscypliny fizyki nie jest całkowicie poprawna. Wpływa na prawie wszystkoobszary. Bez zdolności systemu do wykorzystywania energii wewnętrznej do wykonywania pracy fizycy nie mieliby czego badać. Istnieje również kilka bardzo przydatnych obszarów termodynamiki:
- Inżynieria cieplna. Bada dwie możliwości transferu energii: pracę i ciepło. Związany z oceną transferu energii w substancji roboczej maszyny.
- Kriofizyka (kriogenika) - nauka o niskich temperaturach. Bada właściwości fizyczne substancji w warunkach występujących nawet w najzimniejszym rejonie Ziemi. Przykładem tego jest badanie nadcieczy.
- Hydrodynamika to badanie fizycznych właściwości cieczy.
- Fizyka wysokich ciśnień. Bada właściwości fizyczne substancji w układach o bardzo wysokim ciśnieniu związane z dynamiką płynów.
- Meteorologia to naukowe badanie atmosfery, które koncentruje się na procesach pogodowych i prognozowaniu.
- Fizyka plazmy - badanie materii w stanie plazmy.
Prawo zerowe
Przedmiotem i metodą termodynamiki technicznej są obserwacje eksperymentalne zapisane w formie praw. Zerowa zasada termodynamiki mówi, że gdy dwa ciała mają tę samą temperaturę, a trzecie, to z kolei mają między sobą tę samą temperaturę. Na przykład: jeden blok miedzi styka się z termometrem, aż temperatura się wyrówna. Następnie jest usuwany. Drugi blok miedzi styka się z tym samym termometrem. Jeśli nie ma zmiany w poziomie rtęci, to możemy powiedzieć, że oba bloki są wrównowaga termiczna z termometrem.
Pierwsze Prawo
To prawo mówi, że gdy system przechodzi zmianę stanu, energia może przekroczyć granicę w postaci ciepła lub pracy. Każdy z nich może być pozytywny lub negatywny. Zmiana energii netto systemu jest zawsze równa energii netto, która przekracza granicę systemu. Te ostatnie mogą być wewnętrzne, kinetyczne lub potencjalne.
Drugie prawo
Służy do określenia kierunku, w którym może zachodzić określony proces termiczny. To prawo termodynamiki mówi, że nie da się stworzyć urządzenia, które działa w cyklu i nie daje żadnego efektu poza przenoszeniem ciepła z ciała o niższej temperaturze do ciała cieplejszego. Jest czasami nazywane prawem entropii, ponieważ wprowadza tę ważną właściwość. Entropia może być traktowana jako miara tego, jak blisko system znajduje się w równowadze lub nieporządku.
Proces termiczny
Układ przechodzi proces termodynamiczny, gdy zachodzi w nim jakaś zmiana energii, zwykle związana z przemianą ciśnienia, objętości, temperatury. Istnieje kilka konkretnych typów o specjalnych właściwościach:
- adiabatyczny - brak wymiany ciepła w systemie;
- izochoryczność - bez zmian głośności;
- izobaryczny - bez zmian ciśnienia;
- izotermiczny - bez zmian temperatury.
Odwracalność
Proces odwracalny to taki, który po zaistnieniu może byćodwołany. Nie pozostawia żadnych zmian ani w systemie, ani w środowisku. Aby być odwracalnym, system musi być w równowadze. Istnieją czynniki, które sprawiają, że proces jest nieodwracalny. Na przykład tarcie i niekontrolowana ekspansja.
Aplikacja
Wiele aspektów życia współczesnej ludzkości opiera się na fundamentach inżynierii cieplnej. Należą do nich:
- Wszystkie pojazdy (samochody, motocykle, wózki, statki, samoloty itp.) działają w oparciu o drugą zasadę termodynamiki i cykl Carnota. Mogą używać silnika benzynowego lub wysokoprężnego, ale prawo pozostaje takie samo.
- Sprężarki, dmuchawy i wentylatory powietrza i gazu działają w różnych cyklach termodynamicznych.
- Wymianę ciepła stosuje się w parownikach, skraplaczach, chłodnicach, chłodnicach, nagrzewnicach.
- Chłodziarki, zamrażarki, przemysłowe systemy chłodnicze, wszelkiego rodzaju systemy klimatyzacyjne i pompy ciepła działają zgodnie z drugim prawem.
Termodynamika techniczna obejmuje również badanie różnych typów elektrowni: cieplnych, jądrowych, wodnych, opartych na odnawialnych źródłach energii (takich jak energia słoneczna, wiatrowa, geotermalna), pływów, fal i innych.
