Tekninen termodynamiikka tutkii energian ja entropian välistä suhdetta. Se kattaa koko joukon teorioita, jotka yhdistävät mitattavissa olevat makroskooppiset ominaisuudet (lämpötila, paine ja tilavuus) energiaan ja sen kykyyn tehdä työtä.
Esittely
Lämmön ja lämpötilan käsitteet ovat teknisen termodynamiikan perustavanlaatuisimmat. Sitä voidaan kutsua tieteeksi kaikista ilmiöistä, jotka riippuvat lämpötilasta ja sen muutoksista. Tilastollisessa fysiikassa, johon se nyt kuuluu, se on yksi suurimmista teorioista, joihin nykyinen käsitys aineesta perustuu. Termodynaaminen järjestelmä määritellään ainemääräksi, jolla on kiinteä massa ja identiteetti. Kaikki sen ulkoinen on ympäristö, josta se on erotettu rajoilla. Teknisen termodynamiikan sovelluksia ovat muun muassa seuraavat rakenteet:
- ilmastointilaitteet ja jääkaapit;
- automoottoreiden turboahtimet ja ahtimet;
- höyryturbiinit voimalaitoksissa;
- reaktiivinenlentokoneiden moottorit.
Lämpö ja lämpötila
Jokaisella ihmisellä on intuitiivinen tieto lämpötilan käsitteestä. Keho on kuuma tai kylmä sen mukaan, onko sen lämpötila enemmän vai vähemmän korkea. Mutta tarkka määritelmä on vaikeampi. Klassisessa teknisessä termodynamiikassa määritettiin kappaleen absoluuttinen lämpötila. Se johti Kelvin-asteikon luomiseen. Kaikkien ruumiiden vähimmäislämpötila on nolla kelviniä (-273, 15 °C). Tämä on ehdoton nolla, jonka käsite ilmestyi ensimmäisen kerran vuonna 1702 ranskalaisen fyysikon Guillaume Amontonin ansiosta.
Lämpöä on vaikeampi määritellä. Tekninen termodynamiikka tulkitsee sen satunnaiseksi energiansiirroksi järjestelmästä ulkoiseen ympäristöön. Se vastaa molekyylien kineettistä energiaa, jotka liikkuvat ja joutuvat satunnaisille iskuille (Brownian liike). Siirrettyä energiaa kutsutaan mikroskooppisella tasolla epäjärjestyneeksi, toisin kuin järjestäytyneeksi, makroskooppisella tasolla tehdyn työn kautta.
Asiatilanne
Aineen tila on kuvaus aineen fysikaalisesta rakenteesta. Sillä on ominaisuuksia, jotka kuvaavat, kuinka materiaali säilyttää rakenteensa. Aineella on viisi tilaa:
- kaasu;
- neste;
- kiinteä runko;
- plasma;
- superfluid (harvinaisin).
Monet aineet voivat liikkua kaasu-, neste- ja kiinteän faasin välillä. Plasma on aineen erityinen tilakuin salama.
Lämpökapasiteetti
Lämpökapasiteetti (C) on lämmön muutoksen suhde (ΔQ, jossa kreikkalainen kirjain Delta tarkoittaa määrää) lämpötilan muutokseen (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Hän osoittaa, kuinka helposti ainetta kuumennetaan. Hyvällä lämpöjohtimella on alhainen kapasitanssiluokitus. Vahva lämmöneriste korkealla lämpökapasiteetilla.
Terminologia
Jokaisella tieteellä on oma ainutlaatuinen sanastonsa. Teknisen termodynamiikan peruskäsitteitä ovat:
- Lämmönsiirto on lämpötilojen keskinäistä vaihtoa kahden aineen välillä.
- Mikroskooppinen lähestymistapa – kunkin atomin ja molekyylin käyttäytymisen tutkimus (kvanttimekaniikka).
- Makroskooppinen lähestymistapa - monien hiukkasten yleisen käyttäytymisen havainnointi.
- Termodynaaminen järjestelmä on tutkimukseen valittu aineen tai alueen määrä avaruudessa.
- Ympäristö - kaikki ulkoiset järjestelmät.
- Johto - lämpö siirtyy kuumennetun kiinteän kappaleen läpi.
- Konvektio - kuumennetut hiukkaset palauttavat lämmön toiselle aineelle.
- Säteily - lämpö välittyy sähkömagneettisten a altojen kautta, kuten auringosta.
- Entropia - termodynamiikassa on fysikaalinen suure, jota käytetään karakterisoimaan isoterminen prosessi.
Lisätietoja tieteestä
Termodynamiikan tulkinta erillisenä fysiikan tieteenalana ei ole täysin oikea. Se vaikuttaa lähes kaikkeenalueilla. Ilman järjestelmän kykyä käyttää sisäistä energiaa työhön, fyysikoilla ei olisi mitään tutkittavaa. Termodynamiikassa on myös joitain erittäin hyödyllisiä alueita:
- Lämpötekniikka. Se tutkii kahta energiansiirron mahdollisuutta: työtä ja lämpöä. Liittyy energiansiirron arviointiin koneen työaineessa.
- Kryofysiikka (kryogeniikka) - tiede alhaisista lämpötiloista. Tutkii aineiden fysikaalisia ominaisuuksia olosuhteissa, jotka koetaan jopa maapallon kylmimmällä alueella. Esimerkki tästä on supernesteiden tutkimus.
- Hydrodynamiikka on nesteiden fysikaalisten ominaisuuksien tutkimus.
- Korkeiden paineiden fysiikka. Tutkii aineiden fysikaalisia ominaisuuksia erittäin korkeapainejärjestelmissä, jotka liittyvät nestedynamiikkaan.
- Meteorologia on tieteellinen ilmakehän tutkimus, joka keskittyy sääprosesseihin ja ennustamiseen.
- Plasmafysiikka - aineen tutkimus plasmatilassa.
Nollalaki
Teknisen termodynamiikan aihe ja menetelmä ovat kokeellisia havaintoja, jotka on kirjoitettu lakien muotoon. Termodynamiikan nollasääntö sanoo, että kun kahdella kappaleella on sama lämpötila kolmannen kanssa, niillä puolestaan on sama lämpötila toistensa kanssa. Esimerkiksi: yksi kuparilohko saatetaan kosketukseen lämpömittarin kanssa, kunnes lämpötila on sama. Sitten se poistetaan. Toinen kuparilohko saatetaan kosketukseen saman lämpömittarin kanssa. Jos elohopean taso ei muutu, voimme sanoa, että molemmat lohkot ovat sisällälämpötasapaino lämpömittarilla.
Ensimmäinen laki
Tämä laki sanoo, että kun järjestelmässä tapahtuu tilamuutos, energia voi ylittää rajan joko lämpönä tai työnä. Jokainen niistä voi olla positiivinen tai negatiivinen. Järjestelmän nettoenergian muutos on aina yhtä suuri kuin nettoenergia, joka ylittää järjestelmän rajan. Jälkimmäinen voi olla sisäinen, kineettinen tai potentiaalinen.
Toinen laki
Sitä käytetään määrittämään suunta, jossa tietty lämpöprosessi voi tapahtua. Tämä termodynamiikan laki sanoo, että on mahdotonta luoda laitetta, joka toimii syklissä ja joka ei tuota muuta vaikutusta kuin siirtää lämpöä alhaisemman lämpötilan kappaleesta kuumempaan kappaleeseen. Sitä kutsutaan joskus entropian laiksi, koska se esittelee tämän tärkeän ominaisuuden. Entropiaa voidaan pitää mittana siitä, kuinka lähellä järjestelmä on tasapainoa tai häiriötä.
Lämpöprosessi
Järjestelmä käy läpi termodynaamisen prosessin, kun siinä tapahtuu jonkinlainen energiamuutos, joka yleensä liittyy paineen, tilavuuden, lämpötilan muutokseen. On olemassa useita erityistyyppejä, joilla on erityisiä ominaisuuksia:
- adiabaattinen - ei lämmönvaihtoa järjestelmässä;
- isokoorinen - ei muutosta äänenvoimakkuudessa;
- isobarinen - ei paineen muutosta;
- isoterminen - ei lämpötilan muutosta.
Käännettävyys
Kääntyvä prosessi voi olla sen jälkeen, kun se on tapahtunutperuutettu. Se ei jätä muutoksia järjestelmään tai ympäristöön. Jotta järjestelmä olisi palautuva, sen on oltava tasapainossa. On tekijöitä, jotka tekevät prosessista peruuttamattoman. Esimerkiksi kitka ja karkaava laajeneminen.
Hakemus
Monet nykyajan ihmiskunnan elämän osa-alueet rakentuvat lämpötekniikan perustalle. Näitä ovat:
- Kaikki ajoneuvot (autot, moottoripyörät, kärryt, laivat, lentokoneet jne.) toimivat termodynamiikan toisen pääsäännön ja Carnot-syklin perusteella. He voivat käyttää bensiini- tai dieselmoottoria, mutta laki pysyy samana.
- Ilma- ja kaasukompressorit, puh altimet, puh altimet toimivat erilaisilla termodynaamisilla sykleillä.
- Lämmönvaihtoa käytetään höyrystimissä, lauhduttimissa, lämpöpattereissa, jäähdyttimissä, lämmittimissä.
- Jääkaapit, pakastimet, teollisuuden jäähdytysjärjestelmät, kaikenlaiset ilmastointijärjestelmät ja lämpöpumput toimivat toisen lain ansiosta.
Tekniseen termodynamiikkaan kuuluu myös erityyppisten voimalaitosten tutkiminen: lämpö-, ydin-, vesivoimaloita, jotka perustuvat uusiutuviin energialähteisiin (kuten aurinko, tuuli, geoterminen), vuorovesi, aallot ja muut.
