Технічна термодинаміка: основні поняття. Що вивчає технічна термодинаміка

Дослідження взаємозв`язку між енергією та ентропією-це те, що вивчає Технічна термодинаміка. Вона містить в собі цілий набір теорій, які зіставляють макроскопічні властивості, що піддаються вимірюванню (температуру ,тиск і обсяг) з енергією і її можливістю виконання роботи.

Введення

Поняття тепла і температури є найбільш фундаментальними для технічної термодинаміки. Її можна назвати наукою про всі явища, які залежать від температури і її змін. У статистичній фізиці, частиною якої вона зараз є, це одна з великих теорій, на якій базується сучасне розуміння матерії. Термодинамічна система визначається як кількість речовини фіксованої маси та ідентичності. Все зовнішнє по відношенню до неї є оточенням, від якого вона відокремлена кордонами. Застосування технічної термодинаміки включає такі конструкції, як:

• кондиціонери та холодильники;
• турбокомпресори та нагнітачі в автомобільних двигунах;
• парові турбіни на електростанціях;
• реактивні двигуни в літаках.

Тепло і температура

У кожної людини є інтуїтивне знання поняття температури. Тіло гаряче або холодне, залежно від того, чи є його температура більш-менш високою. Але точне визначення складніше. У класичній технічній термодинаміці було дано визначення абсолютна температура тіло. Воно призвело до створення кельвінського масштабу. Мінімальна температура для всіх тіл-нуль Кельвіна (-273,15 ° C). Це абсолютний нуль, концепція якого вперше з`явилася в 1702 році завдяки французькому фізику Гійому Амонтону.

Тепло важче визначити. Технічна термодинаміка тлумачить його як безладну передачу енергії з системи в зовнішнє середовище. Воно відповідає кінетичної енергії молекул, що рухаються і піддаються випадковим ударам (Броунівський рух). Передана енергія називається безладною на мікроскопічному рівні, на відміну від упорядкованої, виконаної через роботу на макроскопічному рівні.

Стан речовини

Стан речовини-це опис типу фізичної структури, яку проявляє речовина. Воно має властивості, що описують, як матеріал підтримує свою структуру. Існує п`ять станів матерії:

• газ;
• рідина;
• тверде тіло;
• плазма;
• сверхтекучее (найрідкісніше).

Багато речовин можуть переходити між газовою, рідкою та твердою фазами. Плазма-це особливий стан речовини, такий як блискавка.

Теплова ємність

Теплоємність (C) - це співвідношення зміни тепла (ΔQ, де Грецький символ Дельта позначає кількість) до зміни температури (ΔT):

C = Δ Q / Δ T.

Вона показує легкість, з якою речовина нагрівається. Хороший термальний провідник має низький показник ємності. Сильний теплоізолятор має високу теплоємність.

Термінологія

Кожна наука має свій унікальний словник. До основних понять технічної термодинаміки відносяться:

1. Теплообмін-взаємний обмін температур між двома речовинами.
2. Мікроскопічний підхід-вивчення поведінки кожного атома і молекули (квантова механіка).
3. Макроскопічний підхід-спостереження за загальною поведінкою багатьох частинок.
4. Термодинамічна система-кількість речовини або область в просторі, обрана для дослідження.
5. Оточення - всі зовнішні системи.
6. Кондукція-тепло передається через нагріте тверде тіло.
7. Конвекція-нагріті частинки повертають тепло іншій речовині.
8. Випромінювання-нагрівання передається через електромагнітні хвилі, наприклад, від сонця.
9. Ентропія - у термодинаміці є фізичною величиною, яка використовується для характеристики ізотермічного процесу.

Детальніше про науку

Трактування термодинаміки як окремої дисципліни фізики не зовсім вірна. Вона зачіпає практично всі області. Без здатності системи використовувати внутрішню енергію для виконання роботи фізикам не було б чого навчитися. Також існують кілька дуже корисних сфер термодинаміки:

1. Теплотехніка. Вивчає дві можливості передачі енергії: роботу і тепло. Пов`язана з оцінкою перенесення енергії в робочій речовині машини.
2. Кріофізика (кріогеніка) - наука низьких температур. Досліджує фізичні властивості речовин в умовах, що випробовуються навіть в найхолоднішому регіоні Землі. Прикладом цього є вивчення надтекучих речовин.
3. Гідродинаміка-вивчення фізичних властивостей рідин.
4. Фізика високого тиску. Досліджує фізичні властивості речовин в системах надзвичайно високих тисків, пов`язаних з динамікою рідини.
5. Метеорологія-наукове вивчення атмосфери, яке фокусується на погодних процесах і прогнозуванні.
6. Фізика плазми-дослідження речовини в плазмовому стані.

Нульовий закон

Предмет і метод технічної термодинаміки-це експериментальні спостереження, записані у вигляді законів. Нульовий закон термодинаміки стверджує: коли два тіла мають рівність температури з третім, вони в свою чергу мають рівність температури один з одним. Наприклад: один блок міді вводиться в контакт з термометром до такого стану, поки не буде встановлено рівність температури. Потім видаляється. Другий блок міді приводиться в контакт з таким же термометром. Якщо при цьому не відбувається зміни рівня ртуті, то можна сказати, що обидва блоки знаходяться в тепловій рівновазі з термометром.

Перший закон

Цей закон говорить: оскільки система зазнає зміни стану, енергія може перетинати кордон або як тепло, або як робота. Кожна з них може бути позитивною або негативною. Чиста зміна енергії системи завжди дорівнює чистій енергії, яка перетинає межу системи. Остання може бути внутрішньою, кінетичною або потенційною.

Другий закон

Він використовується для визначення напрямку, в якому може відбуватися конкретний тепловий процес. Цей закон термодинаміки стверджує: неможливо створити пристрій, який працює в циклі і не виробляє ніякого ефекту, крім передачі тепла від тіла з низькою температурою до більш гарячого тіла. Його іноді називають законом ентропії, оскільки він вводить це важливе властивість. Ентропія може розглядатися як міра того, наскільки система близька до рівноваги або розладу.

Тепловий процес

Система піддається термодинамічному процесу, коли в ній відбувається якась енергетична зміна, зазвичай пов`язана з трансформацією тиску, об`єму, температури. Існує кілька специфічних типів, що володіють особливими властивостями:

• адіабатичний - без теплообміну в системі;
• ізохорний - без зміни обсягу;
• ізобарний - без зміни тиску;
• ізотермічний - без зміни температури.

Оборотність

Оборотним вважається процес, який, після того як відбувся, може бути скасований. Він не залишає ніяких змін ні в системі, ні в навколишнє середовище. Щоб бути оборотною, система повинна знаходитися в рівновазі. Існують такі фактори, які роблять процес незворотнім. Наприклад, тертя і нестримне розширення.

Застосування

Багато аспектів життєдіяльності сучасного людства побудовані на основах теплотехніки. До них відносяться:

1. Всі транспортні засоби (автомобілі, Мотоцикли, візки, кораблі, літаки та ін.) працюють на підставі другого закону термодинаміки і циклу Карно. Вони можуть використовувати бензиновий або дизельний двигун, але закон залишається незмінним.
2. Повітряні і газові Компресори, повітродувки, вентилятори працюють на різному термодинамічний циклі.
3. Теплообмін використовується в випарниках, конденсаторах, радіаторах, охолоджувачах, підігрівачах.
4. Холодильники, морозильники, промислові системи рефрижерації, всі типи систем кондиціонування повітря і теплові насоси працюють завдяки другому закону.

Технічна термодинаміка включає також вивчення різних типів електростанцій: теплові, атомні, гідроелектростанції, на основі поновлюваних джерел енергії (таких як сонячна, вітрова, Геотермальна), припливів, хвиль та інших.