Technická termodynamika: základné pojmy. Čo študuje technická termodynamika

Štúdium vzťahu medzi energiou a entropiou je to, čo študuje technická termodynamika. Obsahuje celý súbor teórií, ktoré porovnávajú makroskopické vlastnosti, ktoré je možné merať (teplota, tlak a objem) s energiou a jej schopnosťou vykonávať prácu.

Úvod

Pojmy tepla a teploty sú najzákladnejšie pre technickú termodynamiku. Dá sa to nazvať vedou všetkých javov, ktoré závisia od teploty a jej zmien. V štatistickej fyzike, ktorej je teraz súčasťou, je to jedna z veľkých teórií, na ktorých je založené súčasné chápanie hmoty. Termodynamický systém je definovaný ako množstvo látky s pevnou hmotnosťou a identitou. Všetko, čo je mimo neho, je prostredie, od ktorého je oddelené hranicami. Aplikácia technickej termodynamiky zahŕňa také konštrukcie ako:

• klimatizácie a chladničky;
• turbodúchadlá a kompresory v automobilových motoroch;
• parných turbín v elektrárňach sú sústredené;
• prúdové motory v lietadlách.

Teplo a teplota

Každý človek má intuitívne znalosti o koncepte teploty. Telo je horúce alebo studené, v závislosti od toho, či je jeho teplota viac alebo menej vysoká. Presná definícia je však komplikovanejšia. V klasickej technickej termodynamike definícia z absolútnej telesnej teploty bola daná . To viedlo k vytvoreniu Kelvinovej stupnice. Minimálna teplota pre všetky telesá je nula Kelvinov (-273,15°C). Toto je absolútna nula, ktorej koncept sa prvýkrát objavil v roku 1702 vďaka francúzskemu fyzikovi Guillaume Amontonovi.

Teplo je ťažšie určiť. Technická termodynamika ju interpretuje ako neusporiadaný prenos energie zo systému do vonkajšieho prostredia. Zodpovedá kinetickej energii molekúl, ktoré sa pohybujú a sú vystavené náhodným nárazom(Brownov pohyb). Prenášaná energia sa nazýva neusporiadaná na mikroskopickej úrovni, na rozdiel od objednanej, vykonávanej prácou na makroskopickej úrovni.

Stav látky

Stav hmoty je opis typu fyzikálnej štruktúry, ktorú látka vykazuje. Má vlastnosti popisujúce, ako si materiál zachováva svoju štruktúru. Existuje päť stavov hmoty:

• plyn;
• kvapalina;
• pevné telo;
• plazma;
• superfluid (najvzácnejší).

Mnoho látok môže prechádzať medzi plynnou, kvapalnou a pevnou fázou. Plazma je špeciálny stav hmoty, napríklad blesk.

Tepelná kapacita

Tepelná kapacita (C) je pomer zmeny tepla (ΔQ, kde grécky symbol Delta znamená množstvo) k zmene teploty (ΔT):

C = Δ Q / Δ T.

Ukazuje ľahkosť, s akou sa látka zahrieva. Dobrý tepelný vodič má nízky index kapacity. Silný tepelný izolátor má vysokú tepelnú kapacitu.

Terminológia

Každá veda má svoj vlastný jedinečný slovník. Medzi základné pojmy technickej termodynamiky patria:

1. Výmena tepla je vzájomná výmena teplôt medzi dvoma látkami.
2. Mikroskopický prístup-štúdium správania každého atómu a molekuly (kvantová mechanika).
3. Makroskopický prístup-pozorovanie všeobecného správania súboru častíc.
4. Termodynamický systém-množstvo látky alebo plochy v priestore vybrané pre štúdium.
5. Prostredie - všetky externé systémy.
6. Vedenie-teplo sa prenáša cez vyhrievanú pevnú látku.
7. Konvekciou zahrievané častice vracajú teplo do inej látky.
8. Žiarenie-zahrievanie sa prenáša elektromagnetickými vlnami, napríklad zo slnka.
9. Entropia-v termodynamike je fyzikálna veličina používaná na charakterizáciu izotermického procesu.

Viac o vede

Interpretácia termodynamiky ako samostatnej disciplíny fyziky nie je úplne správna. Ovplyvňuje takmer všetky oblasti. Bez schopnosti systému využívať vnútornú energiu na prácu by fyzici nemali čo študovať. Existuje tiež niekoľko veľmi užitočných oblastí termodynamiky:

1. Tepelné inžinierstvo. Študuje dve možnosti prenosu energie: prácu a teplo. Súvisí to s hodnotením prenosu energie v pracovnej látke stroja.
2. Kryofyzika (kryogenika) - veda o nízkych teplotách. Skúma fyzikálne vlastnosti látok v podmienkach, ktoré sa vyskytujú aj v najchladnejšej oblasti Zeme. Príkladom toho je štúdium superfluidov.
3. Hydrodynamika-štúdium fyzikálnych vlastností kvapalín.
4. Fyzika vysokého tlaku. Skúma fyzikálne vlastnosti látok v extrémne vysokotlakových systémoch spojených s dynamikou tekutín.
5. Meteorológia je vedecká štúdia atmosféry, ktorá sa zameriava na poveternostné procesy a prognózy.
6. Fyzika plazmy-štúdium hmoty v stave plazmy.

Nulový Zákon

Predmetom a metódou technickej termodynamiky sú experimentálne pozorovania zaznamenané vo forme zákonov. Nulový zákon termodynamiky hovorí: keď majú dve telesá teplotnú rovnosť s tretím, majú zase teplotnú rovnosť medzi sebou. Napríklad: jeden blok medi sa dostane do kontaktu s teplomerom až do takého stavu, kým sa nestanoví teplotná rovnosť. Potom sa odstráni. Druhý blok medi sa dostane do kontaktu s rovnakým teplomerom. Ak nedôjde k zmene hladiny ortuti, môžeme povedať, že obe jednotky sú v tepelnej rovnováhe s teplomerom.

Prvý zákon

Tento zákon hovorí: keďže systém prechádza zmenou stavu, energia môže prekročiť hranicu buď ako teplo, alebo ako práca. Každý z nich môže byť pozitívny alebo negatívny. Čistá zmena energie systému sa vždy rovná čistej energii, ktorá prekračuje hranicu systému. Ten môže byť vnútorný, kinetický alebo potenciálny.

Druhý zákon

Používa sa na určenie smeru, v ktorom môže dôjsť k určitému tepelnému procesu. Tento zákon termodynamiky hovorí: nie je možné vytvoriť zariadenie, ktoré pracuje v cykle a nevytvára žiadny iný účinok ako prenos tepla z telesa s nízkou teplotou do teplejšieho telesa. Niekedy sa nazýva entropický zákon, pretože zavádza toto dôležité vlastnosť. Entropiu možno považovať za mieru toho, ako blízko je systém k rovnováhe alebo poruche.

Tepelný proces

Systém prechádza termodynamickým procesom, keď v ňom dôjde k nejakej zmene energie, zvyčajne spojenej s transformáciou tlaku, objemu, teploty. Existuje niekoľko špecifických typov so špeciálnymi vlastnosťami:

• adiabatic-bez výmeny tepla v systéme;
• izochorický-bez zmeny hlasitosti;
• izobarický-bez zmeny tlaku;
• Izotermické-bez zmeny teploty.

Reverzibilita

Proces sa považuje za reverzibilný, ktorý sa po jeho uskutočnení môže zrušiť. Nezanecháva žiadne zmeny ani v systéme, ani v prostredie. Aby bol systém reverzibilný, musí byť v rovnováhe. Existujú faktory, ktoré robia proces nezvratným. Napríklad trenie a neobmedzená expanzia.

Aplikácia

Mnoho aspektov života moderného ľudstva je postavených na základoch tepelného inžinierstva. Patria sem:

1. Všetky vozidlá (autá, motocykle, vozíky, lode, lietadlá atď..) fungujú na základe druhého zákona termodynamiky a Carnotovho cyklu. Môžu používať benzínový alebo naftový motor, ale zákon zostáva rovnaký.
2. Vzduchové a plynové kompresory, dúchadlá, ventilátory pracujú na inom termodynamickom cykle.
3. Výmena tepla sa používa vo výparníkoch, kondenzátoroch, radiátoroch, chladičoch, ohrievačoch.
4. Chladničky, mrazničky, priemyselné chladiace systémy, všetky typy klimatizácia systémy a tepelné čerpadlá fungujú vďaka druhému zákonu.

Technická termodynamika zahŕňa aj štúdium rôznych typov elektrární: tepelné, jadrové, vodné, založené na obnoviteľných zdrojoch energie (ako sú slnečné, veterné, geotermálne), prílivy, vlny a iné.