Energijos ir entropijos ryšio tyrimai yra tai, ką tiria techninė termodinamika. Ji apima daugybę teorijų, kurios susieja išmatuojamas makroskopines savybes (temperatūra, slėgis ir tūris) su energija ir jos gebėjimu atlikti darbą.
Įvadas
Šilumos ir temperatūros sąvokos yra pagrindinės techninės termodinamikos sąvokos. Jį galima pavadinti mokslu apie visus reiškinius, kurie priklauso nuo temperatūros ir jos pokyčių. Statistinėje fizikoje, kurios dalis ji dabar yra, tai yra viena iš didžiausių teorijų, kuriomis grindžiamas dabartinis materijos supratimas. Termodinaminė sistema apibrėžiama kaip fiksuotos masės ir tapatybės medžiagos kiekis. Viskas, kas yra išorėje, yra aplinka, nuo kurios ją skiria ribos. Techninės termodinamikos taikymas apima tokias konstrukcijas kaip:
- oro kondicionieriai ir šaldytuvai;
- automobilių variklių turbokompresoriai ir kompresoriai;
- garo turbinos elektrinėse;
- reaktyvusorlaivių varikliai.
Šiluma ir temperatūra
Kiekvienas žmogus intuityviai žino temperatūros sąvoką. Kūnas yra karštas ar š altas, priklausomai nuo to, ar jo temperatūra yra daugiau ar mažiau aukšta. Tačiau tikslus apibrėžimas yra sunkesnis. Klasikinėje techninėje termodinamikoje buvo apibrėžta absoliuti kūno temperatūra. Tai paskatino sukurti Kelvino skalę. Minimali visų kūnų temperatūra yra nulis kelvinų (-273, 15°C). Tai yra absoliutus nulis, kurio koncepcija pirmą kartą pasirodė 1702 m. prancūzų fiziko Guillaume'o Amontono dėka.
Sunkiau apibrėžti šilumą. Techninė termodinamika interpretuoja tai kaip atsitiktinį energijos perdavimą iš sistemos į išorinę aplinką. Tai atitinka molekulių, judančių ir patiriamų atsitiktinių smūgių, kinetinę energiją (Brauno judėjimas). Perduodama energija vadinama netvarkinga mikroskopiniu lygmeniu, o ne tvarkinga, atliekama dirbant makroskopiniu lygmeniu.
Būklė
Medžiagos būsena – tai medžiagos fizinės struktūros tipo aprašymas. Ji turi savybių, nusakančių, kaip medžiaga išlaiko savo struktūrą. Yra penkios materijos būsenos:
- dujos;
- skystas;
- tvirtas korpusas;
- plazma;
- superskystis (rečiausias).
Daugelis medžiagų gali judėti tarp dujų, skystos ir kietos fazės. Plazma yra ypatinga materijos būsenakaip žaibas.
Šilumos talpa
Šilumos talpa (C) yra šilumos pokyčio (ΔQ, kur graikiškas simbolis Delta reiškia kiekį) ir temperatūros pokyčio (ΔT) santykis:
C=Δ Q / Δ T.
Ji parodo, kaip lengvai kaitinama medžiaga. Geras šilumos laidininkas turi mažą talpą. Tvirtas šilumos izoliatorius su didele šilumos talpa.
Terminologija
Kiekvienas mokslas turi savo unikalų žodyną. Pagrindinės techninės termodinamikos sąvokos:
- Šilumos perdavimas yra abipusis dviejų medžiagų temperatūrų pasikeitimas.
- Mikroskopinis metodas – kiekvieno atomo ir molekulės elgsenos tyrimas (kvantinė mechanika).
- Makroskopinis požiūris – bendros daugelio dalelių elgsenos stebėjimas.
- Termodinaminė sistema yra medžiagos arba ploto kiekis erdvėje, pasirinktas tyrimams.
- Aplinka – visos išorinės sistemos.
- Laidumas – šiluma perduodama per įkaitintą kietą kūną.
- Konvekcija – įkaitusios dalelės grąžina šilumą kitai medžiagai.
- Spinduliavimas – šiluma perduodama elektromagnetinėmis bangomis, pavyzdžiui, nuo saulės.
- Entropija – termodinamikoje yra fizikinis dydis, naudojamas apibūdinti izoterminį procesą.
Daugiau apie mokslą
Terodinamikos kaip atskiros fizikos disciplinos aiškinimas nėra visiškai teisingas. Tai veikia beveik viskąsrityse. Jei sistema negalėtų panaudoti vidinės energijos darbui atlikti, fizikai neturėtų ką tirti. Taip pat yra keletas labai naudingų termodinamikos sričių:
- Šilumos inžinerija. Ji tiria dvi energijos perdavimo galimybes: darbą ir šilumą. Susijęs su energijos perdavimo mašinos darbinėje medžiagoje įvertinimu.
- Kriofizika (kriogenika) – mokslas apie žemą temperatūrą. Tyrinėja fizines medžiagų savybes net šalčiausiame Žemės regione. To pavyzdys yra superskysčių tyrimas.
- Hidrodinamika yra skysčių fizinių savybių tyrimas.
- Aukšto slėgio fizika. Tyrinėja medžiagų fizines savybes itin aukšto slėgio sistemose, susijusias su skysčių dinamika.
- Meteorologija yra mokslinis atmosferos tyrimas, kurio pagrindinis dėmesys skiriamas oro procesams ir prognozėms.
- Plazmos fizika – plazmos būsenos medžiagos tyrimas.
Nulis įstatymo
Techninės termodinamikos dalykas ir metodas yra eksperimentiniai stebėjimai, parašyti dėsnių forma. Nulinis termodinamikos dėsnis teigia, kad kai dviejų kūnų temperatūra yra tokia pati su trečiuoju, jie savo ruožtu turi vienodą temperatūrą vienas kitam. Pavyzdžiui: vienas vario blokas kontaktuojamas su termometru, kol temperatūra tampa lygi. Tada jis pašalinamas. Antrasis vario blokas liečiamas su tuo pačiu termometru. Jei gyvsidabrio lygis nepasikeitė, galime sakyti, kad yra abu blokaišiluminė pusiausvyra su termometru.
Pirmasis įstatymas
Šis dėsnis teigia, kad keičiantis sistemos būsenai energija gali kirsti ribą arba kaip šiluma, arba kaip darbas. Kiekvienas iš jų gali būti teigiamas arba neigiamas. Sistemos grynasis energijos pokytis visada yra lygus grynajai energijai, kuri kerta sistemos ribą. Pastarasis gali būti vidinis, kinetinis arba potencialus.
Antrasis įstatymas
Jis naudojamas norint nustatyti kryptį, kuria gali vykti konkretus terminis procesas. Šis termodinamikos dėsnis teigia, kad neįmanoma sukurti prietaiso, kuris veiktų ciklu ir nesukeltų jokio kito efekto, išskyrus šilumos perdavimą iš žemesnės temperatūros kūno į karštesnį. Jis kartais vadinamas entropijos dėsniu, nes įveda šią svarbią savybę. Entropija gali būti vertinama kaip matas, nurodantis, kiek sistema yra arti pusiausvyros ar netvarkos.
Šiluminis procesas
Sistemoje vyksta termodinaminis procesas, kai joje įvyksta tam tikras energijos pokytis, dažniausiai susijęs su slėgio, tūrio, temperatūros transformacija. Yra keletas specifinių tipų su ypatingomis savybėmis:
- adiabatinis – sistemoje nėra šilumos mainų;
- izochorinis – nesikeičia garsumas;
- izobarinis – nesikeičia slėgis;
- izoterminis – temperatūra nesikeičia.
Grąžinamumas
Grąžinamasis procesas yra toks, kuris jam įvykus gali būtiatšauktas. Ji nepalieka jokių pokyčių nei sistemoje, nei aplinkoje. Kad sistema būtų grįžtama, ji turi būti pusiausvyroje. Yra veiksnių, dėl kurių procesas tampa negrįžtamas. Pavyzdžiui, trintis ir greitas plėtimasis.
Programa
Daugelis šiuolaikinės žmonijos gyvenimo aspektų yra pagrįsti šilumos inžinerijos pagrindais. Tai apima:
- Visos transporto priemonės (automobiliai, motociklai, vežimėliai, laivai, lėktuvai ir kt.) veikia pagal antrąjį termodinamikos dėsnį ir Karno ciklą. Jie gali naudoti benzininį arba dyzelinį variklį, tačiau įstatymas nesikeičia.
- Oro ir dujų kompresoriai, orapūtės, ventiliatoriai veikia skirtingais termodinaminiais ciklais.
- Šilumos mainai naudojami garintuvuose, kondensatoriuose, radiatoriuose, aušintuvuose, šildytuvuose.
- Šaldytuvai, šaldikliai, pramoninės šaldymo sistemos, visų tipų oro kondicionavimo sistemos ir šilumos siurbliai veikia dėl antrojo dėsnio.
Techninė termodinamika taip pat apima įvairių tipų elektrinių: šiluminių, atominių, hidroelektrinių, pagrįstų atsinaujinančiais energijos š altiniais (pvz., saulės, vėjo, geoterminės energijos), potvynių, bangų ir kt., tyrimą.
