Studien av sambandet mellan energi och entropi är vad teknisk termodynamik studerar. Den omfattar en hel uppsättning teorier som relaterar mätbara makroskopiska egenskaper (temperatur, tryck och volym) till energi och dess förmåga att utföra arbete.
Introduktion
Begreppen värme och temperatur är de mest grundläggande för teknisk termodynamik. Det kan kallas vetenskapen om alla fenomen som beror på temperaturen och dess förändringar. Inom statistisk fysik, som den nu är en del av, är den en av de stora teorierna som den nuvarande förståelsen av materia bygger på. Ett termodynamiskt system definieras som en mängd materia med en fast massa och identitet. Allt utanför den är den miljö från vilken den är skild av gränser. Tillämpningar av teknisk termodynamik inkluderar konstruktioner som:
- luftkonditioneringsapparater och kylskåp;
- turboladdare och kompressor i bilmotorer;
- ångturbiner i kraftverk;
- reaktivflygplansmotorer.
Värme och temperatur
Varje person har en intuitiv kunskap om begreppet temperatur. Kroppen är varm eller kall, beroende på om dess temperatur är mer eller mindre hög. Men den exakta definitionen är svårare. I klassisk teknisk termodynamik definierades en kropps absoluta temperatur. Det ledde till skapandet av Kelvinskalan. Minsta temperatur för alla kroppar är noll Kelvin (-273, 15°C). Detta är absolut noll, vars koncept först dök upp 1702 tack vare den franske fysikern Guillaume Amonton.
Värme är svårare att definiera. Teknisk termodynamik tolkar det som en slumpmässig överföring av energi från systemet till den yttre miljön. Det motsvarar den kinetiska energin hos molekyler som rör sig och utsätts för slumpmässiga stötar (brownska rörelser). Den överförda energin kallas oordnad på mikroskopisk nivå, i motsats till ordnad, utförd genom arbete på makroskopisk nivå.
Tillstånd
A state of matter är en beskrivning av vilken typ av fysisk struktur som ett ämne uppvisar. Det har egenskaper som beskriver hur ett material bibehåller sin struktur. Det finns fem materiatillstånd:
- gas;
- liquid;
- solid body;
- plasma;
- superfluid (den sällsyntaste).
Många ämnen kan röra sig mellan gas, flytande och fast fas. Plasma är ett speciellt tillstånd av materiasom en blixt.
Värmekapacitet
Värmekapacitet (C) är förhållandet mellan förändring i värme (ΔQ, där det grekiska tecknet Delta står för kvantitet) och förändring i temperatur (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Hon visar hur lätt ämnet värms upp. En bra värmeledare har låg kapacitans. Stark värmeisolator med hög värmekapacitet.
Terminologi
Varje vetenskap har sitt eget unika ordförråd. De grundläggande begreppen inom teknisk termodynamik inkluderar:
- Värmeöverföring är det ömsesidiga utbytet av temperaturer mellan två ämnen.
- Mikroskopiskt tillvägagångssätt - studiet av beteendet hos varje atom och molekyl (kvantmekanik).
- Makroskopiskt tillvägagångssätt - observation av det allmänna beteendet hos många partiklar.
- Termodynamiskt system är mängden ämne eller område i rymden som v alts för forskning.
- Miljö - alla externa system.
- ledning - värme överförs genom en uppvärmd fast kropp.
- Konvektion - uppvärmda partiklar återför värme till ett annat ämne.
- Strålning - värme överförs genom elektromagnetiska vågor, till exempel från solen.
- Entropi - inom termodynamik är en fysisk storhet som används för att karakterisera en isoterm process.
Mer om vetenskap
Tolkningen av termodynamik som en separat fysikdisciplin är inte helt korrekt. Det påverkar nästan alltområden. Utan systemets förmåga att använda intern energi för att utföra arbete, skulle fysiker inte ha något att studera. Det finns också några mycket användbara områden inom termodynamiken:
- Värmeteknik. Den studerar två möjligheter för energiöverföring: arbete och värme. Förknippas med bedömningen av energiöverföring i maskinens arbetssubstans.
- Kryofysik (kryogenik) - vetenskapen om låga temperaturer. Utforskar de fysiska egenskaperna hos ämnen under förhållanden som upplevs även i den kallaste delen av jorden. Ett exempel på detta är studiet av supervätskor.
- Hydrodynamics är studiet av vätskors fysikaliska egenskaper.
- Högtrycks fysik. Utforskar de fysikaliska egenskaperna hos ämnen i extremt högtryckssystem relaterade till vätskedynamik.
- Meteorology är den vetenskapliga studien av atmosfären som fokuserar på väderprocesser och prognoser.
- Plasmafysik - studiet av materia i plasmatillståndet.
Nolllag
Ämnet och metoden för teknisk termodynamik är experimentella observationer skrivna i form av lagar. Termodynamikens nollte lag säger att när två kroppar har samma temperatur med en tredje så har de i sin tur samma temperatur med varandra. Till exempel: ett kopparblock bringas i kontakt med en termometer tills temperaturen är lika. Sedan tas den bort. Det andra kopparblocket bringas i kontakt med samma termometer. Om det inte finns någon förändring i kvicksilvernivån kan vi säga att båda blocken är innetermisk jämvikt med en termometer.
First Law
Denna lag säger att när systemet genomgår en tillståndsförändring kan energi passera gränsen antingen som värme eller som arbete. Var och en av dem kan vara positiv eller negativ. Nettoenergiförändringen i ett system är alltid lika med den nettoenergi som passerar systemets gräns. Den senare kan vara intern, kinetisk eller potentiell.
Andra lagen
Den används för att bestämma i vilken riktning en speciell termisk process kan äga rum. Denna termodynamiska lag säger att det är omöjligt att skapa en enhet som fungerar i en cykel och som inte ger någon annan effekt än att överföra värme från en kropp med lägre temperatur till en varmare kropp. Det kallas ibland för entropilagen eftersom det introducerar denna viktiga egenskap. Entropi kan ses som ett mått på hur nära ett system är jämvikt eller oordning.
Termisk process
Systemet genomgår en termodynamisk process när någon form av energiförändring sker i det, vanligtvis förknippat med omvandling av tryck, volym, temperatur. Det finns flera specifika typer med speciella egenskaper:
- adiabatisk - ingen värmeväxling i systemet;
- isochoric - ingen förändring i volym;
- isobarisk - ingen förändring i trycket;
- isotermisk - ingen förändring i temperaturen.
Reversibilitet
En reversibel process är en som, efter att den har ägt rum, kan varainställt. Det lämnar inga förändringar varken i systemet eller i miljön. För att vara reversibel måste systemet vara i jämvikt. Det finns faktorer som gör processen oåterkallelig. Till exempel friktion och skenande expansion.
Application
Många aspekter av den moderna mänsklighetens liv bygger på värmeteknikens grunder. Dessa inkluderar:
- Alla fordon (bilar, motorcyklar, vagnar, fartyg, flygplan, etc.) fungerar på basis av termodynamikens andra lag och Carnot-cykeln. De kan använda en bensin- eller dieselmotor, men lagen förblir densamma.
- Luft- och gaskompressorer, fläktar, fläktar arbetar med olika termodynamiska cykler.
- Värmeväxling används i förångare, kondensorer, radiatorer, kylare, värmare.
- Kylskåp, frysar, industriella kylsystem, alla typer av luftkonditioneringssystem och värmepumpar fungerar på grund av den andra lagen.
Teknisk termodynamik inkluderar också studier av olika typer av kraftverk: termiska, kärnkrafts-, vattenkraftverk, baserade på förnybara energikällor (som sol, vind, geotermisk energi), tidvatten, vågor och andra.
