Изследването на връзката между енергията и ентропията е това, което изучава техническата термодинамика. Тя обхваща цял набор от теории, които свързват измерими макроскопични свойства (температура, налягане и обем) с енергията и нейната способност да извършва работа.
Въведение
Понятията за топлина и температура са най-основните за техническата термодинамика. Може да се нарече наука за всички явления, които зависят от температурата и нейните промени. В статистическата физика, от която сега е част, тя е една от големите теории, на които се основава настоящото разбиране за материята. Термодинамичната система се дефинира като количество материя с фиксирана маса и идентичност. Всичко външно за него е средата, от която е отделен с граници. Приложенията на техническата термодинамика включват конструкции като:
- климатици и хладилници;
- турбокомпресори и компресори в автомобилните двигатели;
- парни турбини в електроцентрали;
- реактивенсамолетни двигатели.
Топлина и температура
Всеки човек има интуитивни познания за понятието температура. Тялото е горещо или студено, в зависимост от това дали температурата му е повече или по-малко висока. Но точното определение е по-трудно. В класическата техническа термодинамика се определя абсолютната температура на тялото. Това доведе до създаването на скалата на Келвин. Минималната температура за всички тела е нула Келвин (-273, 15°C). Това е абсолютна нула, чиято концепция се появява за първи път през 1702 г. благодарение на френския физик Гийом Амонтон.
Топлината е по-трудна за дефиниране. Техническата термодинамика го интерпретира като произволен пренос на енергия от системата към външната среда. Тя съответства на кинетичната енергия на молекулите, които се движат и са подложени на произволни удари (броуново движение). Предаваната енергия се нарича неуредена на микроскопично ниво, за разлика от подредена, извършена чрез работа на макроскопско ниво.
Състояние на въпроса
Състоянието на материята е описание на типа физическа структура, която проявява дадено вещество. Той има свойства, които описват как материалът поддържа структурата си. Има пет състояния на материята:
- газ;
- течност;
- твърдо тяло;
- плазма;
- суперфлуид (най-редкият).
Много вещества могат да се движат между газова, течна и твърда фаза. Плазмата е специално състояние на материятакато светкавица.
Топлинен капацитет
Топлинният капацитет (C) е съотношението на промяната в топлината (ΔQ, където гръцкият символ Delta означава количество) към промяната в температурата (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Тя показва лекотата, с която веществото се нагрява. Добрият топлопроводник има нисък капацитет. Силен топлоизолатор с висок топлинен капацитет.
Терминология
Всяка наука има свой собствен уникален речник. Основните концепции на техническата термодинамика включват:
- Преносът на топлина е взаимният обмен на температури между две вещества.
- Микроскопичен подход - изследване на поведението на всеки атом и молекула (квантова механика).
- Макроскопски подход - наблюдение на общото поведение на много частици.
- Термодинамичната система е количеството вещество или площ в пространството, избрано за изследване.
- Околна среда - всички външни системи.
- Проводимост - топлината се пренася през нагрято твърдо тяло.
- Конвекция - нагрятите частици връщат топлината към друго вещество.
- Излъчване - топлината се предава чрез електромагнитни вълни, като например от слънцето.
- Ентропията - в термодинамиката е физическа величина, използвана за характеризиране на изотермичен процес.
Още за науката
Тълкуването на термодинамиката като отделна дисциплина на физиката не е напълно правилно. Засяга почти всичкообласти. Без способността на системата да използва вътрешна енергия за извършване на работа, физиците не биха имали какво да изучават. Има и някои много полезни области на термодинамиката:
- Топлотехника. Изучава две възможности за пренос на енергия: работа и топлина. Свързан с оценката на преноса на енергия в работното вещество на машината.
- Криофизика (криогеника) - науката за ниските температури. Изследва физичните свойства на веществата при условия дори в най-студения регион на Земята. Пример за това е изследването на свръхфлуидите.
- Хидродинамиката е изследване на физичните свойства на течностите.
- Физика на високо налягане. Изследва физичните свойства на веществата в системи с изключително високо налягане, свързани с динамиката на флуидите.
- Метеорологията е научното изследване на атмосферата, което се фокусира върху метеорологичните процеси и прогнози.
- Физика на плазмата - изследване на материята в плазмено състояние.
Нулев закон
Предметът и методът на техническата термодинамика са експериментални наблюдения, написани под формата на закони. Нулевият закон на термодинамиката гласи, че когато две тела имат еднаква температура с трето, те от своя страна имат една и съща температура едно с друго. Например: един меден блок се поставя в контакт с термометър, докато температурата се изравни. След това се отстранява. Вторият блок от мед се довежда до контакт със същия термометър. Ако няма промяна в нивото на живак, тогава можем да кажем, че и двата блока са вътретоплинно равновесие с термометър.
Първи закон
Този закон гласи, че когато системата претърпи промяна в състоянието, енергията може да премине границата или като топлина, или като работа. Всеки от тях може да бъде положителен или отрицателен. Промяната на нетната енергия на системата винаги е равна на нетната енергия, която пресича границата на системата. Последното може да бъде вътрешно, кинетично или потенциално.
Втори закон
Използва се за определяне на посоката, в която може да се осъществи определен термичен процес. Този закон на термодинамиката гласи, че е невъзможно да се създаде устройство, което да работи в цикъл и да не произвежда никакъв ефект, освен пренасяне на топлина от тяло с по-ниска температура към по-горещо тяло. Понякога се нарича закон за ентропията, защото въвежда това важно свойство. Ентропията може да се разглежда като мярка за това колко близо е една система до равновесието или разстройството.
Термичен процес
Системата преминава през термодинамичен процес, когато в нея настъпва някакъв вид енергийна промяна, обикновено свързана с трансформация на налягане, обем, температура. Има няколко специфични типа със специални свойства:
- адиабатен - няма топлообмен в системата;
- изохориен - без промяна в силата на звука;
- изобарна - няма промяна в налягането;
- изотермичен - без промяна в температурата.
Обратимост
Обратим процес е този, който след като се е осъществил, може да бъдеотменен. Не оставя никакви промени нито в системата, нито в околната среда. За да бъде обратима, системата трябва да е в равновесие. Има фактори, които правят процеса необратим. Например триене и бързо разширяване.
Заявление
Много аспекти от живота на съвременното човечество са изградени върху основите на топлотехниката. Те включват:
- Всички превозни средства (автомобили, мотоциклети, колички, кораби, самолети и др.) работят въз основа на втория закон на термодинамиката и цикъла на Карно. Те могат да използват бензинов или дизелов двигател, но законът остава същият.
- Компресори за въздух и газ, вентилатори, вентилатори работят на различни термодинамични цикли.
- Топлообменът се използва в изпарители, кондензатори, радиатори, охладители, нагреватели.
- Хладилници, фризери, промишлени хладилни системи, всички видове климатични системи и термопомпи работят по втория закон.
Техническата термодинамика включва също изучаването на различни видове електроцентрали: топлинни, ядрени, водноелектрически, базирани на възобновяеми енергийни източници (като слънчева, вятърна, геотермална), приливи, вълни и други.
