Termodinamik teknikal: konsep asas. Apakah yang dikaji termodinamik teknikal?

Isi kandungan:

Termodinamik teknikal: konsep asas. Apakah yang dikaji termodinamik teknikal?
Termodinamik teknikal: konsep asas. Apakah yang dikaji termodinamik teknikal?
Anonim

Kajian tentang hubungan antara tenaga dan entropi ialah kajian termodinamik teknikal. Ia merangkumi satu set keseluruhan teori yang mengaitkan sifat makroskopik yang boleh diukur (suhu, tekanan dan isipadu) dengan tenaga dan keupayaannya untuk melakukan kerja.

Pengenalan

Konsep haba dan suhu adalah yang paling asas untuk termodinamik teknikal. Ia boleh dipanggil sains semua fenomena yang bergantung kepada suhu dan perubahannya. Dalam fizik statistik, yang kini menjadi sebahagian daripadanya, ia adalah salah satu teori hebat yang menjadi asas pemahaman semasa tentang jirim. Sistem termodinamik ditakrifkan sebagai kuantiti jirim jisim dan identiti tetap. Segala sesuatu di luarnya adalah persekitaran yang mana ia dipisahkan oleh sempadan. Aplikasi termodinamik teknikal termasuk pembinaan seperti:

  • penyaman udara dan peti sejuk;
  • pengecas turbo dan pengecas super dalam enjin automotif;
  • turbin wap di loji kuasa;
  • reaktifenjin pesawat.
Tenaga yang dihasilkan
Tenaga yang dihasilkan

Haba dan suhu

Setiap orang mempunyai pengetahuan intuitif tentang konsep suhu. Badan panas atau sejuk, bergantung kepada sama ada suhunya lebih atau kurang tinggi. Tetapi definisi yang tepat adalah lebih sukar. Dalam termodinamik teknikal klasik, suhu mutlak jasad ditentukan. Ia membawa kepada penciptaan skala Kelvin. Suhu minimum untuk semua jasad ialah sifar Kelvin (-273, 15°C). Ini adalah sifar mutlak, konsep yang pertama kali muncul pada tahun 1702 terima kasih kepada ahli fizik Perancis Guillaume Amonton.

Haba lebih sukar untuk ditentukan. Termodinamik teknikal mentafsirkannya sebagai pemindahan tenaga secara rawak daripada sistem ke persekitaran luaran. Ia sepadan dengan tenaga kinetik molekul yang bergerak dan tertakluk kepada kesan rawak (gerakan Brown). Tenaga yang dihantar dipanggil tidak teratur pada tahap mikroskopik, berbanding dengan teratur, dilakukan melalui kerja pada tahap makroskopik.

Termodinamik bendalir
Termodinamik bendalir

Keadaan jirim

Keadaan jirim ialah perihalan jenis struktur fizikal yang dipamerkan oleh bahan. Ia mempunyai sifat yang menerangkan bagaimana bahan mengekalkan strukturnya. Terdapat lima keadaan jirim:

  • gas;
  • cecair;
  • badan padat;
  • plasma;
  • cecair super (paling jarang).

Banyak bahan boleh bergerak antara fasa gas, cecair dan pepejal. Plasma ialah keadaan jirim yang istimewaseperti kilat.

Kapasiti haba

Kapasiti haba (C) ialah nisbah perubahan haba (ΔQ, di mana aksara Yunani Delta bermaksud kuantiti) kepada perubahan suhu (ΔT):

C=Δ Q / Δ T.

Dia menunjukkan kemudahan bahan itu dipanaskan. Konduktor haba yang baik mempunyai penarafan kapasitans yang rendah. Penebat haba yang kuat dengan kapasiti haba yang tinggi.

Termodinamik gas
Termodinamik gas

Terminologi

Setiap sains mempunyai perbendaharaan kata tersendiri. Konsep asas termodinamik teknikal termasuk:

  1. Pemindahan haba ialah pertukaran suhu bersama antara dua bahan.
  2. Pendekatan mikroskopik - kajian tentang kelakuan setiap atom dan molekul (mekanik kuantum).
  3. Pendekatan makroskopik - pemerhatian tingkah laku umum banyak zarah.
  4. Sistem termodinamik ialah jumlah bahan atau kawasan dalam ruang yang dipilih untuk penyelidikan.
  5. Persekitaran - semua sistem luaran.
  6. Konduksi - haba dipindahkan melalui jasad pepejal yang dipanaskan.
  7. Konveksi - zarah yang dipanaskan mengembalikan haba kepada bahan lain.
  8. Radiasi - haba dihantar melalui gelombang elektromagnet, seperti dari matahari.
  9. Entropi - dalam termodinamik ialah kuantiti fizik yang digunakan untuk mencirikan proses isoterma.
Pemindahan haba tidak sekata
Pemindahan haba tidak sekata

Lagi tentang sains

Tafsiran termodinamik sebagai disiplin fizik yang berasingan adalah tidak betul sepenuhnya. Ia menjejaskan hampir semua perkarakawasan-kawasan. Tanpa keupayaan sistem untuk menggunakan tenaga dalaman untuk melakukan kerja, ahli fizik tidak akan mempunyai apa-apa untuk belajar. Terdapat juga beberapa bidang termodinamik yang sangat berguna:

  1. Kejuruteraan haba. Ia mengkaji dua kemungkinan pemindahan tenaga: kerja dan haba. Dikaitkan dengan penilaian pemindahan tenaga dalam bahan kerja mesin.
  2. Cryophysics (kriogenik) - sains suhu rendah. Meneroka sifat fizikal bahan dalam keadaan yang dialami walaupun di kawasan paling sejuk di Bumi. Contohnya ialah kajian tentang cecair super.
  3. Hidrodinamik ialah kajian tentang sifat fizikal cecair.
  4. Fizik tekanan tinggi. Meneroka sifat fizikal bahan dalam sistem tekanan sangat tinggi yang berkaitan dengan dinamik bendalir.
  5. Meteorologi ialah kajian saintifik tentang atmosfera yang memberi tumpuan kepada proses cuaca dan ramalan.
  6. Fizik Plasma - kajian tentang jirim dalam keadaan plasma.
pelesapan haba suria
pelesapan haba suria

Undang-undang Sifar

Subjek dan kaedah termodinamik teknikal ialah pemerhatian eksperimen yang ditulis dalam bentuk undang-undang. Hukum sifar termodinamik menyatakan bahawa apabila dua jasad mempunyai suhu yang sama dengan satu pertiga, mereka pula mempunyai suhu yang sama antara satu sama lain. Contohnya: satu bongkah kuprum disentuh dengan termometer sehingga suhunya sama. Kemudian ia dikeluarkan. Blok kedua kuprum dibawa ke dalam sentuhan dengan termometer yang sama. Sekiranya tiada perubahan dalam tahap merkuri, maka kita boleh mengatakan bahawa kedua-dua blok berada dikeseimbangan terma dengan termometer.

Undang-undang Pertama

Undang-undang ini menyatakan bahawa apabila sistem mengalami perubahan keadaan, tenaga boleh melintasi sempadan sama ada sebagai haba atau sebagai kerja. Setiap daripada mereka boleh menjadi positif atau negatif. Perubahan tenaga bersih sistem sentiasa sama dengan tenaga bersih yang melintasi sempadan sistem. Yang terakhir boleh menjadi dalaman, kinetik atau potensi.

Aplikasi termodinamik
Aplikasi termodinamik

Undang-undang Kedua

Ia digunakan untuk menentukan arah proses terma tertentu boleh berlaku. Undang-undang termodinamik ini menyatakan bahawa adalah mustahil untuk mencipta peranti yang berfungsi dalam kitaran dan tidak menghasilkan apa-apa kesan selain daripada memindahkan haba daripada jasad yang suhunya lebih rendah ke jasad yang lebih panas. Ia kadangkala dipanggil hukum entropi kerana ia memperkenalkan sifat penting ini. Entropi boleh dianggap sebagai ukuran sejauh mana sistem adalah dekat dengan keseimbangan atau gangguan.

Proses terma

Sistem ini mengalami proses termodinamik apabila beberapa jenis perubahan tenaga berlaku di dalamnya, biasanya dikaitkan dengan perubahan tekanan, isipadu, suhu. Terdapat beberapa jenis khusus dengan sifat istimewa:

  • adiabatik - tiada pertukaran haba dalam sistem;
  • isochoric - tiada perubahan dalam volum;
  • isobarik - tiada perubahan tekanan;
  • isoterma - tiada perubahan suhu.

Kebolehbalikan

Proses boleh balik ialah proses yang, selepas ia berlaku, bolehdibatalkan. Ia tidak meninggalkan sebarang perubahan sama ada dalam sistem atau persekitaran. Untuk boleh diterbalikkan, sistem mesti berada dalam keseimbangan. Terdapat faktor yang menyebabkan proses tidak dapat dipulihkan. Contohnya, geseran dan pengembangan lari.

Termodinamik pepejal
Termodinamik pepejal

Permohonan

Banyak aspek kehidupan manusia moden dibina di atas asas kejuruteraan haba. Ini termasuk:

  1. Semua kenderaan (kereta, motosikal, kereta, kapal, kapal terbang, dll.) beroperasi berdasarkan hukum kedua termodinamik dan kitaran Carnot. Mereka boleh menggunakan enjin petrol atau diesel, tetapi undang-undangnya tetap sama.
  2. Pemampat udara dan gas, peniup, kipas beroperasi pada kitaran termodinamik yang berbeza.
  3. Penukaran haba digunakan dalam penyejat, pemeluwap, radiator, penyejuk, pemanas.
  4. Peti sejuk, penyejuk beku, sistem penyejukan industri, semua jenis sistem penyaman udara dan pam haba berfungsi mengikut undang-undang kedua.

Termodinamik teknikal juga merangkumi kajian pelbagai jenis loji kuasa: haba, nuklear, hidroelektrik, berdasarkan sumber tenaga boleh diperbaharui (seperti suria, angin, geoterma), pasang surut, ombak dan lain-lain.

Disyorkan: