Tehnična termodinamika: osnovni pojmi. Kaj se preučuje pri tehnični termodinamiki

Tehnična termodinamika preučuje razmerje med energijo in entropijo. Zajema cel niz teorij, ki povezujejo makroskopske merljive lastnosti (temperatura, tlak in prostornina) z energijo in njeno zmožnostjo opravljanja dela.

Uvod

Pojma toplota in temperatura sta najosnovnejša v tehnični termodinamiki. Lahko jo imenujemo znanost o vseh pojavih, ki so odvisni od temperature in njenih sprememb. V statistični fiziki, katere del je danes, je to ena od velikih teorij, na katerih temelji sedanje razumevanje snovi. Termodinamični sistem je opredeljen kot količina snovi s fiksno maso in identiteto. Vse, kar je zunaj njega, je njegovo okolje, od katerega je ločeno z mejami. Uporaba tehnične termodinamike vključuje naslednje oblike, kot so:

• klimatske naprave in hladilnike;
• turbopolnilniki in polnilniki v avtomobilskih motorjih;
• Parne turbine v elektrarnah;
• reaktivni motorji v letalih.

Toplota in temperatura

Vsakdo intuitivno pozna pojem temperature. Telo je vroče ali hladno, odvisno od tega, ali je njegova temperatura višja ali nižja. Vendar je natančna opredelitev bolj zapletena. V klasični tehnični termodinamiki je opredelitev absolutna temperatura telesa. To je privedlo do oblikovanja Kelvinove lestvice. Najnižja temperatura za vsa telesa je nič kelvinov (-273,15° C). To je absolutna ničla, pojem, ki ga je leta 1702 prvi predstavil francoski fizik Guillaume Amonton.

Toploto je težje opredeliti. Tehnična termodinamika jo razlaga kot neurejen prenos energije iz sistema v zunanje okolje. Ustreza kinetični energiji molekul, ki se gibljejo in so podvržene naključnim udarcem (Brownovo gibanje). Prenesena energija se na mikroskopski ravni imenuje neurejena energija, v nasprotju z urejeno energijo, preneseno z delom na makroskopski ravni.

Stanje snovi

Stanje snovi je opis vrste fizikalne strukture, ki jo ima snov. Ima lastnosti, ki opisujejo, kako material ohranja svojo strukturo. Poznamo pet stanj snovi:

• Plin;
• tekočina;
• trdno;
• plazma;
• supertekočina (najredkejša).

Številne snovi lahko prehajajo med plinasto, tekočo in trdno fazo. Plazma je posebno stanje snovi, kot je strela.

Toplotna zmogljivost

Toplotna kapaciteta (C) je razmerje med spremembo toplote (ΔQ, kjer grški simbol Delta pomeni količino) in spremembo temperature (ΔT):

C = Δ Q / Δ T.

Pokaže, kako hitro se snov segreje. Dober toplotni prevodnik ima nizko kapacitivnost. Močan toplotni prevodnik ima visoko toplotno zmogljivost.

Terminologija

Vsaka znanost ima svoj edinstven besednjak. Osnovni pojmi tehnične termodinamike vključujejo:

1. Prenos toplote je medsebojna izmenjava temperatur med dvema snovema.
2. Mikroskopski pristop - preučevanje obnašanja vsakega atoma in molekule (kvantna mehanika).
3. Makroskopski pristop - opazovanje splošnega obnašanja množice delcev.
4. termodinamični sistem - količina snovi ali območje v prostoru, izbrano za preučevanje.
5. Okolje - vsi zunanji sistemi.
6. Prevodnost - toplota se prenaša skozi segreto trdno telo.
7. Konvekcija - segreti delci vračajo toploto drugi snovi.
8. sevanje - toplota se prenaša z elektromagnetnim valovanjem, na primer s soncem.
9. Entropija - v termodinamiki fizikalna količina, ki se uporablja za opisovanje izotermnega procesa.

Preberite več o znanosti

Obravnava termodinamike kot ločene fizikalne discipline ni povsem pravilna. Prizadene skoraj vsa področja. Brez sposobnosti sistema, da uporabi svojo notranjo energijo za delo, fiziki ne bi imeli česa preučevati. Obstaja tudi nekaj zelo uporabnih področij termodinamike:

1. Toplotna tehnika. Preuči dve možnosti prenosa energije: delo in toploto. To je povezano z ocenjevanjem prenosa energije v delovni snovi stroja.
2. Kriofizika (kriogenika) - preučevanje nizkih temperatur. Raziskuje fizikalne lastnosti snovi v razmerah, ki jih lahko doživimo tudi v najhladnejših predelih Zemlje. Primer tega je preučevanje supertekočin.
3. Dinamika tekočin - preučevanje fizikalnih lastnosti tekočin.
4. Fizika visokega tlaka. raziskuje fizikalne lastnosti snovi v sistemih z izjemno visokim tlakom, povezanih z dinamiko tekočin.
5. Meteorologija - znanstveno preučevanje ozračja, ki se osredotoča na vremenske procese in napovedovanje.
6. Fizika plazme - preučevanje snovi v plazemskem stanju.

Zakon o ničelni vrednosti

Predmet in metoda tehnične termodinamike so eksperimentalna opazovanja, zapisana v obliki zakonov. Ničelni zakon termodinamike pravi: če imata dve telesi enako temperaturo kot tretje, imata enako temperaturo tudi med seboj. Na primer: en blok bakra je v stiku s termometrom, dokler temperatura ni enaka. Nato ga odstranite. Drugi bakreni blok je v stiku z istim termometrom. Če se raven živega srebra ne spremeni, lahko rečemo, da sta obe enoti v toplotnem ravnovesju s termometrom.

Prvi zakon

Ta zakon pravi, da ker se stanje sistema spreminja, lahko energija prehaja mejo bodisi kot toplota bodisi kot delo. Vsaka od teh je lahko pozitivna ali negativna. Neto sprememba energije sistema je vedno enaka neto energiji, ki prestopi mejo sistema. Slednji so lahko notranji, kinetični ali potencialni.

Drugi zakon

Uporablja se za določanje smeri, v kateri lahko poteka določen toplotni proces. Ta zakon termodinamike pravi, da je nemogoče izdelati napravo, ki deluje ciklično in ne povzroča drugega učinka kot prenos toplote s telesa z nizko temperaturo na toplejše telo. Včasih se imenuje zakon entropije, ker uvaja pomembno je lastnost. Entropijo lahko razumemo kot merilo, kako blizu je sistem ravnovesju ali neredu.

Toplotni proces

V sistemu poteka termodinamični proces, ko v njem pride do energijske spremembe, ki običajno vključuje spremembo tlaka, prostornine, temperature. Obstaja več posebnih vrst, ki imajo posebne lastnosti:

• Adiabatski - brez izmenjave toplote v sistemu;
• izohorična - brez spremembe prostornine;
• izobarna - brez spremembe tlaka;
• izotermni - brez spremembe temperature.

Obratnost

Povratni proces je proces, ki ga je po tem, ko je enkrat potekal, mogoče razveljaviti. V sistemu ali v okolje. Da bi bil sistem reverzibilen, mora biti v ravnovesju. Obstajajo dejavniki, zaradi katerih je proces nepovraten. Na primer trenje in neomejeno širjenje.

Aplikacije

Številni vidiki življenja sodobnega človeštva temeljijo na temeljih toplotne tehnike. Ti vključujejo:

1. Vsa vozila (avtomobili, motorji, vozički, ladje, letala itd.) imajo drugačen termodinamični cikel.) delujejo na podlagi drugega zakona termodinamike in Carnotovega cikla. Uporabljajo lahko bencinski ali dizelski motor, vendar zakon ostaja enak.
2. Zračni in plinski kompresorji, puhala in ventilatorji delujejo po drugačnem termodinamičnem ciklu.
3. Prenos toplote se uporablja v uparjalnikih, kondenzatorjih, radiatorjih, hladilnikih, grelnikih.
4. Hladilniki, zamrzovalniki, industrijski hladilni sistemi, vse vrste Klimatski sistemi zračne in toplotne črpalke delujejo po drugem zakonu.

Tehnična termodinamika vključuje tudi preučevanje različnih vrst elektrarn: toplotnih, jedrskih, hidroelektrarn, obnovljivih virov energije (kot so sonce, veter, geotermalna energija), plimovanja, valovanja itd.