Die studie van die verband tussen energie en entropie is wat tegniese termodinamika bestudeer. Dit sluit 'n hele stel teorieë in wat meetbare makroskopiese eienskappe (temperatuur, druk en volume) in verband bring met energie en sy vermoë om werk te doen.
Inleiding
Die konsepte van hitte en temperatuur is die mees fundamentele vir tegniese termodinamika. Dit kan die wetenskap genoem word van alle verskynsels wat afhanklik is van temperatuur en sy veranderinge. In statistiese fisika, waarvan dit nou deel is, is dit een van die groot teorieë waarop die huidige verstaan van materie gebaseer is. 'n Termodinamiese sisteem word gedefinieer as 'n hoeveelheid materie met 'n vaste massa en identiteit. Alles wat buite dit is, is die omgewing waaruit dit deur grense geskei word. Toepassings van tegniese termodinamika sluit konstruksies in soos:
- lugversorgers en yskaste;
- turbo-aanjaers en superaanjaers in motorenjins;
- stoomturbines in kragsentrales;
- reaktiefvliegtuigenjins.
Hitte en temperatuur
Elke persoon het 'n intuïtiewe kennis van die konsep van temperatuur. Die liggaam is warm of koud, afhangende van of sy temperatuur min of meer hoog is. Maar die presiese definisie is moeiliker. In klassieke tegniese termodinamika is die absolute temperatuur van 'n liggaam gedefinieer. Dit het gelei tot die skepping van die Kelvin-skaal. Die minimum temperatuur vir alle liggame is nul Kelvin (-273, 15°C). Dit is absolute nul, waarvan die konsep die eerste keer in 1702 verskyn het danksy die Franse fisikus Guillaume Amonton.
Hitte is moeiliker om te definieer. Tegniese termodinamika interpreteer dit as 'n ewekansige oordrag van energie vanaf die sisteem na die eksterne omgewing. Dit stem ooreen met die kinetiese energie van molekules wat beweeg en aan ewekansige impakte (Brown-beweging) onderwerp word. Die oorgedrade energie word op die mikroskopiese vlak wanordelik genoem, in teenstelling met ordelik, gedoen deur werk op die makroskopiese vlak.
Toestand van saak
'n Toestand van materie is 'n beskrywing van die tipe fisiese struktuur wat 'n stof vertoon. Dit het eienskappe wat beskryf hoe 'n materiaal sy struktuur handhaaf. Daar is vyf toestande van materie:
- gas;
- vloeistof;
- solid body;
- plasma;
- supervloeistof (die skaarsste).
Baie stowwe kan tussen gas-, vloeistof- en vaste fases beweeg. Plasma is 'n spesiale toestand van materiesoos weerlig.
Verhittingkapasiteit
Hittekapasiteit (C) is die verhouding van verandering in hitte (ΔQ, waar die Griekse karakter Delta vir hoeveelheid staan) tot verandering in temperatuur (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Sy wys die gemak waarmee die stof verhit word. 'n Goeie termiese geleier het 'n lae kapasitansiegradering. Sterk hitte-isolator met hoë hittekapasiteit.
Terminologie
Elke wetenskap het sy eie unieke woordeskat. Die basiese konsepte van tegniese termodinamika sluit in:
- Hitte-oordrag is die onderlinge uitruiling van temperature tussen twee stowwe.
- Mikroskopiese benadering - die studie van die gedrag van elke atoom en molekule (kwantummeganika).
- Makroskopiese benadering - waarneming van die algemene gedrag van baie deeltjies.
- Termodinamiese stelsel is die hoeveelheid stof of area in die ruimte wat vir navorsing gekies is.
- Omgewing - alle eksterne stelsels.
- Geleiding - hitte word deur 'n verhitte soliede liggaam oorgedra.
- Konveksie - verhitte deeltjies gee hitte terug na 'n ander stof.
- Bestraling - hitte word deur elektromagnetiese golwe oorgedra, soos vanaf die son.
- Entropie - in termodinamika is 'n fisiese hoeveelheid wat gebruik word om 'n isotermiese proses te karakteriseer.
Meer oor wetenskap
Die interpretasie van termodinamika as 'n aparte dissipline van fisika is nie heeltemal korrek nie. Dit raak byna allesgebiede. Sonder die stelsel se vermoë om interne energie te gebruik om werk te doen, sou fisici niks gehad het om te bestudeer nie. Daar is ook 'n paar baie nuttige areas van termodinamika:
- Hitte-ingenieurswese. Dit bestudeer twee moontlikhede van energie-oordrag: werk en hitte. Geassosieer met die assessering van energie-oordrag in die werkende stof van die masjien.
- Kryofisika (kriogenika) - die wetenskap van lae temperature. Ondersoek die fisiese eienskappe van stowwe onder toestande wat selfs in die koudste gebied van die Aarde ervaar word. 'n Voorbeeld hiervan is die studie van supervloeistowwe.
- Hydrodinamika is die studie van die fisiese eienskappe van vloeistowwe.
- Fisika van hoë druk. Ondersoek die fisiese eienskappe van stowwe in uiters hoëdrukstelsels wat met vloeistofdinamika verband hou.
- Meteorologie is die wetenskaplike studie van die atmosfeer wat op weerprosesse en voorspelling fokus.
- Plasma Fisika - die studie van materie in die plasmatoestand.
Zero Law
Die onderwerp en metode van tegniese termodinamika is eksperimentele waarnemings wat in die vorm van wette geskryf is. Die nulde wet van termodinamika bepaal dat wanneer twee liggame dieselfde temperatuur met 'n derde het, hulle op hul beurt dieselfde temperatuur met mekaar het. Byvoorbeeld: een blok koper word met 'n termometer in aanraking gebring totdat die temperatuur gelyk is. Dan word dit verwyder. Die tweede blok koper word met dieselfde termometer in aanraking gebring. As daar geen verandering in die kwikvlak is nie, kan ons sê dat beide blokke in istermiese ewewig met 'n termometer.
Eerste Wet
Hierdie wet bepaal dat wanneer die stelsel 'n toestandsverandering ondergaan, energie die grens kan oorsteek as hitte of as werk. Elkeen van hulle kan positief of negatief wees. Die netto energieverandering van 'n stelsel is altyd gelyk aan die netto energie wat die grens van die stelsel oorsteek. Laasgenoemde kan intern, kineties of potensiaal wees.
Tweede Wet
Dit word gebruik om die rigting te bepaal waarin 'n spesifieke termiese proses kan plaasvind. Hierdie wet van termodinamika bepaal dat dit onmoontlik is om 'n toestel te skep wat in 'n siklus werk en geen ander effek produseer as om hitte van 'n liggaam met 'n laer temperatuur na 'n warmer liggaam oor te dra nie. Dit word soms die wet van entropie genoem omdat dit hierdie belangrike eienskap bekendstel. Entropie kan beskou word as 'n maatstaf van hoe naby 'n sisteem aan ewewig of wanorde is.
Termiese proses
Die stelsel ondergaan 'n termodinamiese proses wanneer 'n soort energieverandering daarin plaasvind, gewoonlik geassosieer met die transformasie van druk, volume, temperatuur. Daar is verskeie spesifieke tipes met spesiale eienskappe:
- adiabaties - geen hitte-uitruiling in die stelsel nie;
- isochories - geen verandering in volume nie;
- isobaries - geen verandering in druk nie;
- isotermies - geen verandering in temperatuur nie.
Omkeerbaarheid
'n Omkeerbare proses is een wat, nadat dit plaasgevind het, kan weesgekanselleer. Dit laat geen veranderinge in die stelsel of in die omgewing nie. Om omkeerbaar te wees, moet die stelsel in ewewig wees. Daar is faktore wat die proses onomkeerbaar maak. Byvoorbeeld, wrywing en weghol-uitbreiding.
Aansoek
Baie aspekte van die lewe van die moderne mensdom is gebou op die fondamente van hitte-ingenieurswese. Dit sluit in:
- Alle voertuie (motors, motorfietse, karre, skepe, vliegtuie, ens.) werk op die basis van die tweede wet van termodinamika en die Carnot-siklus. Hulle kan 'n petrol- of dieselenjin gebruik, maar die wet bly dieselfde.
- Lug- en gaskompressors, blasers, waaiers werk op verskillende termodinamiese siklusse.
- Hittewisseling word gebruik in verdampers, kondensators, verkoelers, verkoelers, verwarmers.
- Yskaste, vrieskaste, industriële verkoelingstelsels, alle soorte lugversorgingstelsels en hittepompe werk as gevolg van die tweede wet.
Tegniese termodinamika sluit ook die studie van verskeie tipes kragsentrales in: termies, kernkrag, hidroëlektriese, gebaseer op hernubare energiebronne (soos sonkrag, wind, geotermiese), getye, golwe en ander.
