Študija razmerja med energijo in entropijo je tisto, kar preučuje tehnična termodinamika. Obsega cel niz teorij, ki povezujejo merljive makroskopske lastnosti (temperatura, tlak in prostornina) z energijo in njeno sposobnostjo opravljanja dela.
Uvod
Pojma toplote in temperature sta najbolj temeljna za tehnično termodinamiko. Lahko jo imenujemo znanost o vseh pojavih, ki so odvisni od temperature in njenih sprememb. V statistični fiziki, katere del je zdaj, je ena izmed velikih teorij, na katerih temelji sedanje razumevanje snovi. Termodinamični sistem je opredeljen kot količina snovi s fiksno maso in istovetnostjo. Vse, kar je zunaj njega, je okolje, od katerega je ločen z mejami. Aplikacije tehnične termodinamike vključujejo konstrukcije, kot so:
- klimatske naprave in hladilniki;
- turbopolnilniki in kompresorji v avtomobilskih motorjih;
- parne turbine v elektrarnah;
- reaktivnoletalski motorji.
Toplota in temperatura
Vsak človek ima intuitivno znanje o pojmu temperature. Telo je vroče ali hladno, odvisno od tega, ali je njegova temperatura bolj ali manj visoka. Toda natančna definicija je težja. V klasični tehnični termodinamiki je bila definirana absolutna temperatura telesa. To je privedlo do nastanka Kelvinove lestvice. Najnižja temperatura za vsa telesa je nič Kelvina (-273, 15°C). To je absolutna ničla, katere koncept se je prvič pojavil leta 1702 po zaslugi francoskega fizika Guillaumea Amontona.
Vročino je težje opredeliti. Tehnična termodinamika jo razlaga kot naključni prenos energije iz sistema v zunanje okolje. Ustreza kinetični energiji molekul, ki se premikajo in so izpostavljene naključnim udarcem (Brownovo gibanje). Prenesena energija se imenuje neurejena na mikroskopski ravni, v nasprotju z urejeno, opravljeno z delom na makroskopski ravni.
Stanje zadeve
Stanje snovi je opis vrste fizične strukture, ki jo izkazuje snov. Ima lastnosti, ki opisujejo, kako material ohranja svojo strukturo. Obstaja pet stanj snovi:
- plin;
- tekočina;
- trdno telo;
- plazma;
- superfluid (najredkejši).
Veliko snovi se lahko premika med plinasto, tekočo in trdno fazo. Plazma je posebno stanje snovikot strela.
Toplotna zmogljivost
Toplotna zmogljivost (C) je razmerje med spremembo toplote (ΔQ, kjer grški znak Delta pomeni količino) in spremembo temperature (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Pokaže lahkotnost, s katero se snov segreje. Dober toplotni prevodnik ima nizko kapacitivnost. Močan toplotni izolator z visoko toplotno zmogljivostjo.
Terminologija
Vsaka znanost ima svoj edinstven besednjak. Osnovni koncepti tehnične termodinamike vključujejo:
- Prenos toplote je medsebojna izmenjava temperatur med dvema snovema.
- Mikroskopski pristop - preučevanje obnašanja vsakega atoma in molekule (kvantna mehanika).
- Makroskopski pristop - opazovanje splošnega obnašanja številnih delcev.
- Termodinamični sistem je količina snovi ali površine v prostoru, izbrana za raziskavo.
- Okolje - vsi zunanji sistemi.
- Prevodnost - toplota se prenaša skozi segreto trdno telo.
- Konvekcija - segreti delci vračajo toploto drugi snovi.
- Sevanje - toplota se prenaša prek elektromagnetnih valov, kot je sonce.
- Entropija - v termodinamiki je fizična količina, ki se uporablja za karakterizacijo izotermnega procesa.
Več o znanosti
Razlaga termodinamike kot ločene discipline fizike ni povsem pravilna. Vpliva na skoraj vseobmočja. Brez zmožnosti sistema, da uporablja notranjo energijo za opravljanje dela, fiziki ne bi imeli česa preučevati. Obstaja tudi nekaj zelo uporabnih področij termodinamike:
- Toplotna tehnika. Proučuje dve možnosti prenosa energije: delo in toploto. Povezano z oceno prenosa energije v delovni snovi stroja.
- Kriofizika (kriogenika) - znanost o nizkih temperaturah. Raziskuje fizikalne lastnosti snovi v pogojih tudi v najhladnejših predelih Zemlje. Primer tega je študij superfluidov.
- Hidrodinamika je študij fizikalnih lastnosti tekočin.
- Fizika visokih tlakov. Raziskuje fizikalne lastnosti snovi v sistemih z izjemno visokim pritiskom, povezanih z dinamiko tekočin.
- Meteorologija je znanstvena študija o atmosferi, ki se osredotoča na vremenske procese in napovedovanje.
- Fizika plazme - preučevanje snovi v stanju plazme.
ničelni zakon
Predmet in metoda tehnične termodinamike so eksperimentalna opazovanja, zapisana v obliki zakonov. Ničelni zakon termodinamike pravi, da ko imata dve telesi enako temperaturo s tretjim, imata med seboj enako temperaturo. Na primer: en blok bakra se pripelje v stik s termometrom, dokler temperatura ni enaka. Nato se odstrani. Drugi blok bakra pride v stik z istim termometrom. Če se raven živega srebra ne spremeni, lahko rečemo, da sta oba bloka notritoplotno ravnotežje s termometrom.
Prvi zakon
Ta zakon navaja, da lahko energija, ko se sistem spremeni v stanje, prečka mejo bodisi kot toplota bodisi kot delo. Vsak od njih je lahko pozitiven ali negativen. Sprememba čiste energije sistema je vedno enaka neto energiji, ki prečka mejo sistema. Slednji je lahko notranji, kinetični ali potencialni.
Drugi zakon
Uporablja se za določitev smeri, v kateri lahko poteka določen termični proces. Ta zakon termodinamike pravi, da je nemogoče ustvariti napravo, ki deluje v ciklu in ne povzroča nobenega učinka, razen prenosa toplote s telesa z nižjo temperaturo na bolj vroče telo. Včasih ga imenujejo zakon entropije, ker uvaja to pomembno lastnost. Entropijo si lahko predstavljamo kot merilo, kako blizu je sistem ravnotežju ali motnji.
Termični proces
Sistem se podvrže termodinamičnemu procesu, ko v njem pride do neke vrste energijske spremembe, ki je običajno povezana s transformacijo tlaka, prostornine, temperature. Obstaja več posebnih vrst s posebnimi lastnostmi:
- adiabatsko - brez izmenjave toplote v sistemu;
- izohorično - brez spremembe glasnosti;
- izobarično - brez spremembe tlaka;
- izotermno - brez spremembe temperature.
reverzibilnost
Reverzibilni proces je tisti, ki je lahko, potem ko se je zgodilprekinjeno. Ne pušča sprememb ne v sistemu ne v okolju. Da bi bil sistem reverzibilen, mora biti v ravnotežju. Obstajajo dejavniki, zaradi katerih je proces nepopravljiv. Na primer, trenje in bežeča ekspanzija.
Prijava
Številni vidiki življenja sodobnega človeštva so zgrajeni na temeljih toplotne tehnike. Ti vključujejo:
- Vsa vozila (avtomobili, motorna kolesa, vozički, ladje, letala itd.) delujejo na podlagi drugega zakona termodinamike in Carnotovega cikla. Uporabljajo lahko bencinski ali dizelski motor, vendar zakon ostaja enak.
- Kompresorji za zrak in plin, puhala, ventilatorji delujejo v različnih termodinamičnih ciklih.
- Izmenjava toplote se uporablja v uparjalnikih, kondenzatorjih, radiatorjih, hladilnikih, grelnikih.
- Hladilniki, zamrzovalniki, industrijski hladilni sistemi, vse vrste klimatskih sistemov in toplotnih črpalk delujejo po drugem zakonu.
Tehnična termodinamika vključuje tudi preučevanje različnih vrst elektrarn: toplotnih, jedrskih, hidroelektrarn, ki temeljijo na obnovljivih virih energije (kot so sonce, veter, geotermalna), plimovanju, valovih in drugih.
