Műszaki termodinamika: alapfogalmak. Milyen technikai termodinamikai tanulmányok

Az energia és az entrópia közötti kapcsolat vizsgálata a technikai termodinamika. Számos elméletet tartalmaz, amelyek összehasonlítják a mérhető makroszkopikus tulajdonságokat (hőmérséklet, nyomás és térfogat) az energiával és a munka elvégzésének képességével.

Bevezetés

A hő és a hőmérséklet fogalma a technikai termodinamika legalapvetőbb. Ezt nevezhetjük minden olyan jelenség tudományának, amely a hőmérséklettől és annak változásaitól függ. A statisztikai fizikában, amelynek ma már része, ez az egyik nagy elmélet, amelyen az anyag jelenlegi megértése alapul. A termodinamikai rendszer a rögzített tömegű és azonosságú anyag mennyisége. Minden, ami rajta kívül van, olyan környezet, amelytől határok választják el. A technikai termodinamika alkalmazása olyan konstrukciókat foglal magában, mint:

• légkondicionálók és hűtőszekrények;
• turbófeltöltők és kompresszorok autóipari motorokban;
• gőzturbinák erőművekben;
• sugárhajtóművek repülőgépekben.

Hő és hőmérséklet

Minden embernek intuitív ismerete van a hőmérséklet fogalmáról. A test meleg vagy hideg, attól függően, hogy hőmérséklete többé-kevésbé magas-E. De a pontos meghatározás bonyolultabb. A klasszikus technikai termodinamikában a meghatározás az abszolút testhőmérsékletet adták . A Kelvin-skála létrehozásához vezetett. Az összes test minimális hőmérséklete nulla Kelvin (-273,15 C). Ez abszolút nulla, amelynek fogalma először 1702-ben jelent meg Guillaume Amonton francia fizikusnak köszönhetően.

A hőt nehezebb meghatározni. A technikai termodinamika úgy értelmezi, mint az energia rendezetlen átvitelét a rendszerből a külső környezetbe. Ez megfelel a mozgó és véletlenszerű hatásoknak kitett molekulák mozgási energiájának (Brown-mozgás). Az átvitt energiát mikroszkopikus szinten rendezetlennek nevezzük, szemben a megrendeléssel, makroszkopikus szinten végzett munkával.

Az anyag állapota

Az anyag állapota az anyag fizikai szerkezetének leírása. Olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek leírják, hogy az anyag hogyan tartja fenn szerkezetét. Az anyag öt állapota van:

• gáz;
• folyékony;
• szilárd test;
• plazma;
• szuperfolyékony (a legritkább).

Sok anyag képes átmenet a gáz -, folyadék-és szilárd fázisok között. A plazma egy speciális anyagállapot, például villám.

Hőkapacitás

A hőkapacitás (C) a hő változásának aránya (XHAMQ, ahol a görög Delta szimbólum a mennyiséget jelenti) a hőmérséklet változásához (XHAMT):

C = CA = O / O.

Megmutatja az anyag könnyű felmelegedését. Egy jó hővezető alacsony kapacitási indexgel rendelkezik. Az erős hőszigetelő nagy hőkapacitással rendelkezik.

Terminológia

Minden tudománynak megvan a maga egyedi szókincse. A technikai termodinamika alapfogalmai a következők:

1. A hőcsere a két anyag közötti hőmérséklet kölcsönös cseréje.
2. Mikroszkopikus megközelítés-az egyes atomok és molekulák viselkedésének vizsgálata (kvantummechanika).
3. Makroszkopikus megközelítés-a részecskék halmazának általános viselkedésének megfigyelése.
4. Termodinamikai rendszer-a vizsgálathoz kiválasztott anyag vagy terület mennyisége a térben.
5. Környezet - minden külső rendszer.
6. Vezetés-a hőt egy fűtött szilárd anyagon keresztül továbbítják.
7. A konvekcióval fűtött részecskék visszaadják a hőt egy másik anyagnak.
8. Sugárzás-a fűtést elektromágneses hullámok továbbítják, például a naptól.
9. Entrópia-a termodinamikában az izotermikus folyamat jellemzésére használt fizikai mennyiség.

Többet a tudományról

A termodinamika mint a fizika külön tudományágának értelmezése nem teljesen helyes. Szinte minden területet érint. Anélkül, hogy a rendszer képes lenne belső energiát használni a munkához, a fizikusoknak nem lenne mit tanulniuk. A termodinamikának számos nagyon hasznos területe is van:

1. Heat engineering. Tanulmányozza az energiaátadás két lehetőségét: munka és hő. Ez kapcsolódik az energiaátadás értékeléséhez a gép munkaanyagában.
2. Kriofizika ( kriogenika) - az alacsony hőmérséklet tudománya. Feltárja az anyagok fizikai tulajdonságait a Föld leghidegebb régiójában tapasztalt körülmények között. Erre példa a szuperfolyadékok vizsgálata.
3. Hidrodinamika-a folyadékok fizikai tulajdonságainak vizsgálata.
4. Nagynyomású fizika. Vizsgálja az anyagok fizikai tulajdonságait rendkívül magas nyomású rendszerekben, amelyek a folyadékdinamikához kapcsolódnak.
5. A meteorológia a légkör tudományos vizsgálata, amely az időjárási folyamatokra és az előrejelzésre összpontosít.
6. Plazmafizika-az anyag vizsgálata plazma állapotban.

Zéró Törvény

A technikai termodinamika tárgya és módszere törvények formájában rögzített kísérleti megfigyelések. A termodinamika nulla törvénye kimondja: ha két testnek hőmérsékleti egyenlősége van a harmadikkal, akkor viszont hőmérsékleti egyenlőségük van egymással. Például: egy rézblokk érintkezésbe kerül a hőmérővel, amíg egy ilyen állapot, amíg a hőmérsékleti egyenlőség meg nem jön. Ezután törlődik. A második rézblokk érintkezésbe kerül ugyanazzal a hőmérővel. Ha nincs változás a higanyszintben, akkor azt mondhatjuk, hogy mindkét egység termikus egyensúlyban van a hőmérővel.

Az első törvény

Ez a törvény kimondja: mivel a rendszer állapotváltozáson megy keresztül, az energia hő vagy munka formájában átlépheti a határt. Mindegyik lehet pozitív vagy negatív. A rendszer energiájának nettó változása mindig megegyezik a rendszer határát átlépő nettó energiával. Ez utóbbi lehet belső, kinetikus vagy potenciális.

A második törvény

Arra használják, hogy meghatározzák azt az irányt, amelyben egy adott termikus folyamat előfordulhat. Ez a termodinamikai törvény kimondja: lehetetlen olyan eszközt létrehozni, amely egy ciklusban működik, és nincs más hatása, mint a hő átadása egy alacsony hőmérsékletű testből egy forróbb testbe. Néha entrópia törvénynek hívják, mert bevezeti ez a fontos ingatlan. Az entrópia annak mércéjének tekinthető, hogy a rendszer milyen közel van az egyensúlyhoz vagy a rendellenességhez.

Termikus folyamat

A rendszer termodinamikai folyamaton megy keresztül, amikor valamilyen energiaváltozás történik benne, általában a nyomás, a térfogat, a hőmérséklet átalakulásával jár. Számos speciális típus létezik, amelyek különleges tulajdonságokkal rendelkeznek:

• adiabatikus-hőcsere nélkül a rendszerben;
• isochoric-a hangerő megváltoztatása nélkül;
• izobár - nyomásváltozás nélkül;
• izotermikus-hőmérsékletváltozás nélkül.

Reverzibilitás

Egy folyamat visszafordíthatónak tekinthető, amely annak megtörténte után törölhető. Nem hagy változást sem a rendszerben, sem a környezet. Ahhoz, hogy visszafordítható legyen, a rendszernek egyensúlyban kell lennie. Vannak olyan tényezők, amelyek visszafordíthatatlanná teszik a folyamatot. Például súrlódás és féktelen tágulás.

Alkalmazás

A modern emberiség életének számos aspektusa a hőtechnika alapjaira épül. Ezek a következők:

1. Minden jármű (autók, motorkerékpárok, kocsik, hajók, repülőgépek stb..) a termodinamika második főtétele és a Carnot-ciklus alapján működnek. Benzin-vagy dízelmotort használhatnak, de a törvény ugyanaz marad.
2. A levegő-és gázkompresszorok, fúvók, ventilátorok eltérő termodinamikai cikluson működnek.
3. A hőcserét párologtatókban, kondenzátorokban, radiátorokban, hűtőkben, fűtőberendezésekben használják.
4. Hűtőszekrények, fagyasztók, ipari hűtőrendszerek, minden típus , a légkondicionáló rendszerek és a hőszivattyúk a második törvény miatt működnek.

A műszaki termodinamika magában foglalja a különféle típusú erőművek tanulmányozását is: hő -, nukleáris -, vízerőművek, megújuló energiaforrásokon (például nap -, szél -, geotermikus), árapályokon, hullámokon stb.