Инженерна термодинамика: основни понятия. Какво се изучава в техническата термодинамика?

Техническата термодинамика се занимава с изучаването на връзката между енергията и ентропията. Тя обхваща цял набор от теории, които свързват макроскопичните измерими свойства (температура, налягане и обем) с енергията и нейната способност да извършва работа.

Въведение

Понятията топлина и температура са най-основните за техническата термодинамика. Тя може да се нарече наука за всички явления, които зависят от температурата и нейните колебания. В статистическата физика, от която тя е част, това е една от големите теории, на които се основава сегашното разбиране за материята. Термодинамичната система се определя като количество материя с фиксирана маса и идентичност. Всичко, което е външно за него, е неговата среда, от която той е отделен с граници. Приложението на техническата термодинамика включва конструкции като:

• климатици и хладилници;
• турбокомпресори и суперкомпресори в автомобилните двигатели;
• Парните турбини в електроцентралите;
• реактивни двигатели в самолети.

Топлина и температура

Всеки интуитивно познава понятието температура. Едно тяло е горещо или студено в зависимост от това дали температурата му е повече или по-малко. Точното определение обаче е по-сложно. Определяне на класическата техническа термодинамика абсолютна температура тела. Това е довело до създаването на скалата на Келвин. Минималната температура за всички тела е нула Келвина (-273,15°C). Това е абсолютната нула - понятие, въведено за първи път през 1702 г. от френския физик Гийом Амонтон.

Топлината е по-трудно да се определи. Техническата термодинамика я тълкува като безразборно прехвърляне на енергия от системата към външната среда. Тя съответства на кинетичната енергия на движещи се молекули, подложени на случайни удари (Брауново движение). Пренесената енергия се нарича неуредена енергия на микроскопично ниво, за разлика от уредената енергия, извършена чрез работа на макроскопично ниво.

Състояние на материята

състояние на материята е описание на вида физическа структура, която дадено вещество притежава. Той има свойства, които описват как даден материал запазва структурата си. Съществуват пет състояния на материята:

• газ;
• течност;
• твърди;
• Плазма;
• свръхфлуид (най-редкият).

Много вещества могат да преминават между газообразна, течна и твърда фаза. Плазмата е специално състояние на материята, като например мълнията.

Топлинен капацитет

Топлинният капацитет (C) е отношението на изменението на топлината (ΔQ, където гръцкият символ Delta означава количество) към изменението на температурата (ΔT):

C = Δ Q / Δ T.

Показва лекотата, с която дадено вещество се нагрява. Добрият топлопроводник има нисък капацитет. Силният изолатор има висок топлинен капацитет.

Терминология

Всяка наука има свой собствен и уникален речник. Основните понятия на техническата термодинамика включват:

1. Топлообмен - взаимният обмен на температури между две вещества.
2. Микроскопичен подход - изучаване на поведението на всеки атом и молекула (квантова механика).
3. Макроскопски подход - наблюдение на общото поведение на множество частици.
4. Термодинамична система - количество материя или област в пространството, избрана за изследване.
5. Околна среда - всички външни системи.
6. Проводимост - топлината се пренася през нагрято твърдо тяло.
7. Конвекция - нагрети частици отдават топлина на друго вещество.
8. Излъчване - топлината се пренася чрез електромагнитни вълни, като тези от слънцето.
9. Ентропия - в термодинамиката е физична величина, която се използва за характеризиране на изотермичен процес.

Прочетете повече за науката

Разглеждането на термодинамиката като отделна дисциплина от физиката не е съвсем правилно. Той засяга почти всички области. Без способността на една система да използва вътрешната си енергия за извършване на работа физиците не биха имали какво да изучават. Има и някои много полезни области на термодинамиката:

1. Топлинно инженерство. Той изучава двете възможности за пренос на енергия: работа и топлина. Отнася се до оценката на преноса на енергия в работната материя.
2. Криофизиката (криогениката) е наука за ниските температури. Изследва физичните свойства на веществата при условия, които се наблюдават дори в най-студения район на Земята. Пример за това е изучаването на свръхфлуидите.
3. Хидродинамика - изучаване на физичните свойства на флуидите.
4. Физика на високото налягане. Изследва физичните свойства на веществата в системи с изключително високо налягане, свързани с динамиката на флуидите.
5. Метеорологията е научно изследване на атмосферата, което се фокусира върху метеорологичните процеси и прогнозирането.
6. Физиката на плазмата - изучаване на материята в плазмено състояние.

Нулев закон

Предметът и методът на техническата термодинамика са експериментални наблюдения, записани под формата на закони. Нулевият закон на термодинамиката гласи: когато две тела имат еднаква температура с трето, те на свой ред имат еднаква температура помежду си. Напр.: едно медно блокче се допира до термометър, докато температурата се изравни с. След това се отстранява. Второ медно блокче се допира до същия термометър. Ако няма промяна в нивото на живака, може да се каже, че двете единици са в топлинно равновесие с термометъра.

Първи закон

Този закон гласи: тъй като системата претърпява промяна на състоянието, енергията може да премине границата или като топлина, или като работа. Всяко от тях може да бъде положително или отрицателно. Нетното изменение на енергията на една система винаги е равно на нетната енергия, която преминава през границата на системата. Последните могат да бъдат вътрешни, кинетични или потенциални.

Втори закон

Използва се за определяне на посоката, в която може да се осъществи даден топлинен процес. Този закон на термодинамиката гласи: невъзможно е да се създаде устройство, което работи в цикъл и не предизвиква друг ефект освен пренос на топлина от тяло с ниска температура към по-топло тяло. Понякога той се нарича закон за ентропията, защото въвежда е важен собственост. Ентропията може да се разглежда като мярка за това колко близо е дадена система до равновесие или безпорядък.

Термичен процес

Една система претърпява термодинамичен процес, когато в нея настъпи някаква енергийна промяна, обикновено включваща трансформация на налягането, обема, температурата. Съществуват няколко специфични вида със специални характеристики:

• Адиабатен - без топлообмен в системата;
• изохорна - без промяна в обема;
• изобарен - без промяна в налягането
• изотермичен - без промяна на температурата.

Обратимост

Обратим процес е този, който може да бъде прекратен, след като веднъж е настъпил. Тя не оставя никаква промяна в системата или в в околната среда. За да е обратима, системата трябва да е в равновесие. Съществуват фактори, които правят процеса необратим. Например триене и неограничено разширяване.

Приложение

Много аспекти от дейността на съвременното човечество се основават на топлотехниката. Те включват:

1. Всички превозни средства (автомобили, мотоциклети, каруци, кораби, самолети и т.н.) работят в съответствие с втория закон на термодинамиката.) се основават на втория закон на термодинамиката и цикъла на Карно. Те могат да използват бензинов или дизелов двигател, но законът остава същият.
2. Въздушните и газовите компресори, въздуходувките и вентилаторите работят в различни термодинамични цикли.
3. Топлообменът се използва в изпарители, кондензатори, радиатори, охладители и подгреватели.
4. Хладилници, фризери, промишлени хладилни системи, всички видове климатични системи въздушните и термопомпите работят благодарение на втория закон.

Техническата термодинамика включва и изучаването на различни видове електроцентрали: термични, ядрени, водноелектрически, възобновяеми енергийни източници (като слънчева, вятърна, геотермална енергия), приливи и отливи, вълни и други.