Undersøgelsen af forholdet mellem energi og entropi er, hvad teknisk termodynamik studerer. Den omfatter en hel række teorier, der relaterer målbare makroskopiske egenskaber (temperatur, tryk og volumen) til energi og dens evne til at udføre arbejde.
Introduktion
Begreberne varme og temperatur er de mest grundlæggende for teknisk termodynamik. Det kan kaldes videnskaben om alle fænomener, der afhænger af temperaturen og dens ændringer. I statistisk fysik, som den nu er en del af, er den en af de store teorier, som den nuværende forståelse af stof bygger på. Et termodynamisk system er defineret som en mængde stof af en fast masse og identitet. Alt eksternt for det er det miljø, hvorfra det er adskilt af grænser. Anvendelser af teknisk termodynamik omfatter konstruktioner som:
- klimaanlæg og køleskabe;
- turboladere og kompressorer i bilmotorer;
- dampturbiner i kraftværker;
- reaktivtflymotorer.
Varme og temperatur
Hver person har en intuitiv viden om begrebet temperatur. Kroppen er varm eller kold, alt efter om dens temperatur er mere eller mindre høj. Men den nøjagtige definition er sværere. I klassisk teknisk termodynamik blev den absolutte temperatur af et legeme defineret. Det førte til skabelsen af Kelvin-skalaen. Minimumstemperaturen for alle kroppe er nul Kelvin (-273, 15°C). Dette er det absolutte nul, hvis koncept først dukkede op i 1702 takket være den franske fysiker Guillaume Amonton.
Varme er sværere at definere. Teknisk termodynamik fortolker det som en tilfældig overførsel af energi fra systemet til det ydre miljø. Det svarer til den kinetiske energi af molekyler, der bevæger sig og udsættes for tilfældige påvirkninger (Brownsk bevægelse). Den overførte energi kaldes uordnet på mikroskopisk niveau, i modsætning til ordnet, udført gennem arbejde på makroskopisk niveau.
Sagens tilstand
A tilstand af stof er en beskrivelse af den type fysisk struktur, som et stof udviser. Det har egenskaber, der beskriver, hvordan et materiale bevarer sin struktur. Der er fem stoftilstande:
- gas;
- væske;
- solid body;
- plasma;
- superfluid (den sjældneste).
Mange stoffer kan bevæge sig mellem gas-, væske- og fastfase. Plasma er en speciel tilstand af stofsom et lyn.
Varmekapacitet
Varmekapacitet (C) er forholdet mellem ændring i varme (ΔQ, hvor det græske tegn Delta står for mængde) og ændring i temperatur (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Hun viser den lethed, hvormed stoffet opvarmes. En god termisk leder har en lav kapacitansvurdering. Stærk varmeisolator med høj varmekapacitet.
Terminologi
Hver videnskab har sit eget unikke ordforråd. De grundlæggende begreber inden for teknisk termodynamik omfatter:
- Varmeoverførsel er den gensidige udveksling af temperaturer mellem to stoffer.
- Mikroskopisk tilgang - studiet af adfærden for hvert atom og molekyle (kvantemekanik).
- Makroskopisk tilgang - observation af mange partiklers generelle adfærd.
- Termodynamisk system er mængden af stof eller areal i rummet, der er valgt til forskning.
- Miljø - alle eksterne systemer.
- ledning - varme overføres gennem en opvarmet fast krop.
- Konvektion - opvarmede partikler returnerer varme til et andet stof.
- Stråling - varme transmitteres gennem elektromagnetiske bølger, f.eks. fra solen.
- Entropi - i termodynamik er en fysisk størrelse, der bruges til at karakterisere en isoterm proces.
Mere om videnskab
Fortolkningen af termodynamik som en separat fysikdisciplin er ikke helt korrekt. Det påvirker næsten altområder. Uden systemets evne til at bruge intern energi til at udføre arbejde, ville fysikere ikke have noget at studere. Der er også nogle meget nyttige områder inden for termodynamik:
- Varmeteknik. Den studerer to muligheder for energioverførsel: arbejde og varme. I forbindelse med vurderingen af energioverførsel i maskinens arbejdsstof.
- Kryofysik (kryogenik) - videnskaben om lave temperaturer. Udforsker stoffers fysiske egenskaber under forhold, der opleves selv i det koldeste område på Jorden. Et eksempel på dette er studiet af supervæsker.
- Hydrodynamik er studiet af væskers fysiske egenskaber.
- Højtryks fysik. Udforsker de fysiske egenskaber af stoffer i ekstremt højtrykssystemer relateret til væskedynamik.
- Meteorologi er den videnskabelige undersøgelse af atmosfæren, der fokuserer på vejrprocesser og prognoser.
- Plasmafysik - studiet af stof i plasmatilstanden.
Nullov
Faget og metoden for teknisk termodynamik er eksperimentelle observationer skrevet i form af love. Termodynamikkens nulte lov siger, at når to legemer har samme temperatur med en tredje, har de igen samme temperatur med hinanden. For eksempel: en blok kobber bringes i kontakt med et termometer, indtil temperaturen er ens. Derefter fjernes det. Den anden kobberblok bringes i kontakt med det samme termometer. Hvis der ikke er nogen ændring i niveauet af kviksølv, så kan vi sige, at begge blokke er indetermisk ligevægt med et termometer.
First Law
Denne lov siger, at når systemet gennemgår en tilstandsændring, kan energi krydse grænsen enten som varme eller som arbejde. Hver af dem kan være positiv eller negativ. Nettoenergiændringen i et system er altid lig med den nettoenergi, der krydser systemets grænse. Sidstnævnte kan være intern, kinetisk eller potentiel.
Anden lov
Det bruges til at bestemme retningen, i hvilken en bestemt termisk proces kan finde sted. Denne termodynamiske lov siger, at det er umuligt at skabe en enhed, der fungerer i en cyklus og ikke producerer anden effekt end at overføre varme fra et legeme med en lavere temperatur til et varmere legeme. Det kaldes nogle gange loven om entropi, fordi det introducerer denne vigtige egenskab. Entropi kan opfattes som et mål for, hvor tæt et system er på ligevægt eller uorden.
Termisk proces
Systemet gennemgår en termodynamisk proces, når der sker en form for energiændring i det, norm alt forbundet med omdannelsen af tryk, volumen, temperatur. Der er flere specifikke typer med specielle egenskaber:
- adiabatisk - ingen varmeveksling i systemet;
- isochoric - ingen ændring i lydstyrke;
- isobarisk - ingen ændring i tryk;
- isotermisk - ingen ændring i temperaturen.
Reversibilitet
En reversibel proces er en proces, som, efter at den har fundet sted, kan væreaflyst. Det efterlader ingen ændringer hverken i systemet eller i miljøet. For at være reversibel skal systemet være i ligevægt. Der er faktorer, der gør processen irreversibel. For eksempel friktion og løbsk ekspansion.
Application
Mange aspekter af det moderne menneskes liv er bygget på grundlaget for varmeteknik. Disse omfatter:
- Alle køretøjer (biler, motorcykler, vogne, skibe, fly osv.) opererer på basis af termodynamikkens anden lov og Carnot-cyklussen. De kan bruge en benzin- eller dieselmotor, men loven forbliver den samme.
- Luft- og gaskompressorer, blæsere, ventilatorer kører på forskellige termodynamiske cyklusser.
- Varmeveksling bruges i fordampere, kondensatorer, radiatorer, kølere, varmelegemer.
- Køleskabe, frysere, industrielle køleanlæg, alle typer klimaanlæg og varmepumper fungerer på grund af den anden lov.
Teknisk termodynamik omfatter også undersøgelsen af forskellige typer kraftværker: termiske, nukleare, vandkraftværker, baseret på vedvarende energikilder (såsom sol, vind, geotermisk), tidevand, bølger og andre.
