Termodinamica inginerească: concepte de bază. Ce studiază termodinamica tehnică

Studiul relației dintre energie și entropie este ceea ce studiază termodinamica tehnică. Cuprinde un set de teorii care leagă proprietățile macroscopice măsurabile (temperatură, presiune și volum) de energie și de capacitatea acesteia de a efectua muncă.

Introducere

Conceptele de căldură și temperatură sunt cele mai fundamentale pentru termodinamica tehnică. Se poate numi știința tuturor fenomenelor care depind de temperatură și de variațiile acesteia. În fizica statistică, din care face parte în prezent, este una dintre marile teorii pe care se bazează înțelegerea actuală a materiei. Un sistem termodinamic este definit ca o cantitate de materie cu masă și identitate fixă. Tot ceea ce îi este exterior este un mediu de care este separat prin limite. Aplicațiile termodinamicii tehnice includ proiecte precum

• aparate de aer condiționat și frigidere;
• turbocompresoare și supraalimentatoare în motoarele de automobile;
• Turbinele cu abur în centralele electrice;
• motoare cu reacție în avioane.

Căldură și temperatură

Toată lumea are o cunoaștere intuitivă a conceptului de temperatură. Un corp este cald sau rece, în funcție de faptul că temperatura sa este mai mare sau mai mică. Dar definiția exactă este mai complicată. În termodinamica tehnică clasică a fost dată o definiție temperatura absolută corpuri. Aceasta a dus la crearea scalei Kelvin. Temperatura minimă pentru toate corpurile este zero Kelvin (-273,15 °C). Acesta este zero absolut, un concept introdus pentru prima dată în 1702 de fizicianul francez Guillaume Amonton.

Căldura este mai greu de definit. Termodinamica tehnică îl interpretează ca fiind transferul nediscriminatoriu de energie de la sistem la mediul extern. Ea corespunde energiei cinetice a moleculelor în mișcare și supuse unor lovituri aleatorii (mișcare browniană). Energia transferată se numește energie dezordonată la nivel microscopic, spre deosebire de energia ordonată realizată prin lucru la nivel macroscopic.

Starea materiei

O stare a materiei este o descriere a tipului de structură fizică pe care o prezintă o substanță. Are proprietăți care descriu modul în care un material își menține structura. Există cinci stări ale materiei:

• gaz;
• lichid;
• solidă;
• plasmă;
• superfluid (cel mai rar).

Multe substanțe pot trece de la faza gazoasă, lichidă și solidă. Plasma este o stare specială a materiei, cum ar fi fulgerul.

Capacitatea termică

Capacitatea termică (C) este raportul dintre variația de căldură (ΔQ, unde simbolul grecesc Delta reprezintă cantitatea) și variația de temperatură (ΔT):

C = Δ Q / Δ T.

Indică ușurința cu care se încălzește o substanță. Un bun conductor termic are un indice de capacitate scăzut. Un conductor termic puternic are o capacitate termică ridicată.

Terminologie

Fiecare știință are propriul vocabular unic. Conceptele de bază ale termodinamicii tehnice includ:

1. Transferul de căldură - schimbul de temperatură între două substanțe.
2. Abordarea microscopică - observarea comportamentului fiecărui atom și moleculă (mecanica cuantică).
3. Abordarea macroscopică - observarea comportamentului general al unei multitudini de particule.
4. Sistem termodinamic - cantitatea de materie sau regiunea din spațiu aleasă pentru studiu.
5. Mediu - toate sistemele externe.
6. Inducție - căldura este transferată prin intermediul unui solid încălzit.
7. Convecție - particulele încălzite returnează căldura către o altă substanță.
8. Radiație - căldura este transferată prin intermediul undelor electromagnetice, de exemplu, de la soare.
9. Entropie - în termodinamică, este o mărime fizică folosită pentru a caracteriza un proces izotermic.

Mai multe despre știință

Interpretarea termodinamicii ca o disciplină separată a fizicii nu este tocmai corectă. Atinge aproape toate domeniile. Fără capacitatea sistemului de a folosi energia internă pentru a lucra, fizicienii nu ar avea nimic de învățat. Există, de asemenea, câteva domenii foarte utile ale termodinamicii:

1. Inginerie termică. Studierea celor două posibilități de transfer de energie: lucrul și căldura. Se referă la estimarea transferului de energie în substanța de lucru a unei mașini.
2. Criofizică (criogenie) - știința temperaturilor scăzute. Studiază proprietățile fizice ale materiei în condițiile întâlnite chiar și în cele mai reci regiuni ale Pământului. Un exemplu în acest sens este studiul superfluidelor.
3. Dinamica fluidelor - Studiul proprietăților fizice ale fluidelor.
4. Fizica presiunilor înalte. Investighează proprietățile fizice ale substanțelor în sisteme de presiune extrem de ridicată asociate cu dinamica fluidelor.
5. Meteorologie - studiul științific al atmosferei, care se concentrează asupra proceselor meteorologice și a prognozelor meteorologice.
6. Fizica plasmei - studiul materiei în stare de plasmă.

Legea Zero

Obiectul și metoda termodinamicii tehnice sunt observațiile experimentale consemnate sub forma unor legi. Legea zero a termodinamicii spune că: atunci când două corpuri au temperatura egală cu un al treilea, acestea au la rândul lor temperatura egală între ele. De exemplu: un bloc de cupru este adus în contact cu un termometru până când temperatura este egală cu. Acesta este apoi îndepărtat. Un al doilea bloc de cupru este pus în contact cu același termometru. Dacă nu există nicio modificare a nivelului mercurului, se poate spune că ambele unități sunt în echilibru termic cu termometrul.

Prima lege

Această lege spune că: pe măsură ce sistemul suferă o schimbare de stare, energia poate traversa granița fie sub formă de căldură, fie sub formă de lucru. Fiecare dintre acestea poate fi pozitivă sau negativă. Schimbarea netă de energie a unui sistem este întotdeauna egală cu energia netă care traversează limitele sistemului. Acesta din urmă poate fi intern, cinetic sau potențial.

A doua lege

Se utilizează pentru a determina direcția în care poate avea loc un anumit proces termic. Această lege a termodinamicii spune că: este imposibil să se creeze un dispozitiv care să funcționeze în ciclu și care să nu producă alt efect decât transferul de căldură de la un corp cu temperatură scăzută la un corp mai cald. Uneori este numită legea entropiei, deoarece introduce este un important proprietate. Entropia poate fi văzută ca o măsură a gradului de apropiere a unui sistem de echilibru sau de dezordine.

Procesul de încălzire

Un sistem suferă un proces termodinamic atunci când în el are loc o schimbare de energie, implicând, de obicei, o transformare de presiune, volum, temperatură, volum, volum, volum și temperatură. Există câteva tipuri specifice care au proprietăți speciale:

• adiabatic - fără transfer de căldură în sistem;
• izocoric - fără schimbare de volum;
• izobară - fără nicio modificare a presiunii;
• izotermă - fără o schimbare de temperatură.

Reversibilitate

Un proces reversibil este un proces care, odată ce a avut loc, poate fi inversat. Nu lasă nici o schimbare în sistem sau în mediu. Pentru a fi reversibil, un sistem trebuie să fie în echilibru. Există factori care fac ca un proces să fie ireversibil. De exemplu, frecarea și expansiunea necontrolată.

Aplicații

Multe aspecte ale vieții omenirii moderne se bazează pe fundamentele ingineriei termice. Printre acestea se numără:

1. Toate vehiculele (mașini, motociclete, troleibuze, nave, avioane etc.) sunt supuse aceleiași legi.) funcționează pe baza celei de-a doua legi a termodinamicii și a ciclului Carnot. Acestea pot folosi un motor pe benzină sau diesel, dar legea rămâne aceeași.
2. Compresoarele de aer și de gaz, suflantele, ventilatoarele și ventilatoarele funcționează toate pe diferite cicluri termodinamice.
3. Schimbul de căldură este utilizat în evaporatoare, condensatoare, radiatoare, răcitoare, încălzitoare.
4. Frigidere, congelatoare, sisteme de refrigerare industrială, toate tipurile sisteme de aer condiționat sistemele de aer condiționat și pompele de căldură funcționează datorită celei de-a doua legi a termodinamicii.

Termodinamica tehnică include, de asemenea, studiul diferitelor tipuri de centrale electrice: termice, nucleare, hidroelectrice, surse de energie regenerabilă (cum ar fi energia solară, eoliană, geotermală), maree, valuri și altele.