Termodinamika, šta je to i njene primjene
Termodinamika je nauka zasnovana na proučavanju energije. Termodinamički procesi se svakodnevno javljaju u svakodnevnom životu, u domovima, u industriji, uz transformaciju energije, poput klima uređaja, frižidera, automobila, kotlova, između ostalog. Otuda i važnost proučavanja termodinamike, zasnovane na četiri osnovna zakona koja uspostavljaju odnos između kvaliteta i količine energije i termodinamičkih svojstava.
Da bismo na lak način razumjeli zakone termodinamike, treba poći od nekih osnovnih pojmova koji su izloženi u nastavku, poput energije, toplote, temperature, između ostalih.
Pozivamo vas da pogledate članak Snaga Wathovog zakona (aplikacije - vježbe)
Termodinamika
Malo istorije:
Termodinamika proučava razmjene i transformacije energije u procesima. Već u 1600-ima Galileo je počeo provoditi studije na ovom području, izumom staklenog termometra i odnosa gustine fluida i njegove temperature.
Industrijskom revolucijom izvode se studije kako bi se upoznali odnosi između toplote, rada i energije goriva, kao i da bi se poboljšale performanse parnih strojeva, a termodinamika je nastala kao studijska nauka, počevši od 1697. parnim strojem Thomasa Savery . Prvi i drugi zakon termodinamike uspostavljeni su 1850. Mnogi naučnici poput Joulea, Kelvina, Clausiusa, Boltzmanna, Carnota, Clapeyrona, Gibbsa, Maxwella, između ostalih, doprinijeli su razvoju ove nauke, "Termodinamika".
Šta je termodinamika?
Termodinamika je nauka koja proučava energetske transformacije. Budući da je u početku proučavano kako transformirati toplinu u snagu, u parnim strojevima grčke riječi "termos" i "dinamis" korištene su za imenovanje ove nove nauke, formirajući riječ "termodinamika". Pogledajte sliku 1.
Termodinamičke primjene
Područje primjene termodinamike je vrlo široko. Transformacija energije se događa u više procesa iz ljudskog tijela, uz probavu hrane, u brojne industrijske procese za proizvodnju proizvoda. U domovima postoje i uređaji kojima se termodinamika, između ostalog, primjenjuje na glačala, bojlere, klima uređaje. Principi termodinamike također se primjenjuju u širokom spektru polja, poput elektrana, automobila i raketa. Pogledajte sliku 2.
Osnove Termodinamika
Energija (E)
Svojstvo bilo kojeg materijalnog ili nematerijalnog tijela ili sistema koji se mogu transformirati mijenjanjem njegove situacije ili stanja. Također se definira kao potencijal ili sposobnost kretanja materije. Na slici 3 možete vidjeti neke izvore energije.
Oblici energije
Energija dolazi u mnogim oblicima, kao što su vjetar, električna, mehanička, nuklearna energija, između ostalog. U proučavanju termodinamike koristi se kinetička energija, potencijalna energija i unutrašnja energija tijela. Kinetička energija (Ec) povezana je sa brzinom, potencijalnom energijom (Ep) sa visinom i unutrašnjom energijom (U) sa kretanjem unutrašnjih molekula. Pogledajte sliku 4.
Toplina (Q):
Prijenos toplotne energije između dva tijela koja su na različitim temperaturama. Toplina se mjeri u džulima, BTU, kilogramima ili kalorijama.
Temperatura (T):
To je mjera kinetičke energije atoma ili molekula koji čine bilo koji materijalni objekt. Mjeri stepen agitacije unutrašnjih molekula predmeta, njegove toplotne energije. Što je veće kretanje molekula, to je temperatura viša. Mjeri se u Celzijusovim stupnjevima, Kelvinovim stupnjevima, Rankinovim stupnjevima ili Fahrenheitovim stepenima. Na slici 5. prikazana je ekvivalencija između nekih temperaturnih skala.
Termodinamički principi
Proučavanje energetskih transformacija u termodinamici temelji se na četiri zakona. Prvi i drugi zakon odnose se na kvalitet i količinu energije; dok su treći i četvrti zakon povezani sa termodinamičkim svojstvima (temperatura i entropija). Pogledajte slike 6 i 7.
Prvi zakon termodinamike:
Prvi zakon uspostavlja princip očuvanja energije. Energija se može prenijeti iz jednog tijela u drugo ili promijeniti u drugi oblik energije, ali se uvijek čuva, tako da ukupna količina energije uvijek ostaje konstantna.
Klizačka rampa dobar je primjer Zakona o očuvanju energije, gdje se utvrđuje da se energija ne stvara ili uništava, već se transformiše u drugu vrstu energije. Za klizačice poput one na slici 8, kada samo gravitacijska sila utječe, moramo:
- Pozicija 1: Kada je klizač na vrhu rampe, on ima unutrašnju energiju i potencijalnu energiju zbog visine na kojoj se nalazi, ali njegova kinetička energija je nula jer nije u pokretu (brzina = 0 m / s).
- Pozicija 2: Kako klizač počne kliziti niz rampu, visina se smanjuje, smanjujući unutrašnju i potencijalnu energiju, ali povećavajući njegovu kinetičku energiju, kako se njegova brzina povećava. Energija se pretvara u kinetičku. Kad klizač dosegne najnižu točku rampe (položaj 2), njegova potencijalna energija je nula (visina = 0 m), dok najveću brzinu postiže tokom svog putovanja niz rampu.
- Pozicija 3: Kako se rampa podiže, klizač gubi brzinu, smanjujući svoju kinetičku energiju, ali unutarnja energija se povećava, a potencijalna energija, kako postiže visinu.
Drugi zakon termodinamike:
Drugi zakon povezan je s "kvalitetom" energije, u optimizaciji pretvorbe i / ili prijenosa energije. Ovaj zakon utvrđuje da u stvarnim procesima kvaliteta energije ima tendenciju pada. Uvedena je definicija termodinamičkog svojstva "entropija". U izjavama drugog zakona utvrđuje se kada se proces može dogoditi, a kada ne može, čak i ako se prvi zakon i dalje poštuje. Pogledajte sliku 9.
Nulti zakon:
Nulti zakon kaže da su dva sistema u ravnoteži sa trećim u međusobnoj ravnoteži. Na primjer, za Sliku 10, ako je A u toplotnoj ravnoteži sa C, a C je u toplotnoj ravnoteži sa B, tada je A u toplotnoj ravnoteži sa B.
Ostali koncepti T.ermodinamika
Sistem
Dio svemira koji zanima ili proučava. Za šalicu kave na slici 11, "sistem" je sadržaj šalice (kafe) u kojoj se može proučavati prenos toplotne energije. Pogledajte sliku 12. [4]
Životna sredina
To je ostatak svemira van sistema koji se proučava. Na slici 12. šalica za kafu smatra se „granicom“ koja sadrži kafu (sistem), a ono što je izvan šalice (obrub) je „okruženje“ sistema.
Termodinamička ravnoteža
Stanje u kojem su svojstva sistema dobro definirana i ne mijenjaju se tijekom vremena. Kada sistem predstavlja toplotnu, mehaničku i hemijsku ravnotežu, on je u "termodinamičkoj ravnoteži". U ravnoteži, sistem ne može modificirati svoje stanje ukoliko vanjski agent ne djeluje na njega. Pogledajte sliku 13.
Zid
Entitet koji dozvoljava ili sprečava interakciju između sistema. Ako zid dopušta prolaz tvari, kaže se da je to propusni zid. Adijabatski zid je onaj koji ne dozvoljava prenos toplote između dva sistema. Kada zid dopušta prijenos toplotne energije, naziva se dijatermijskim zidom. Pogledajte sliku 14.
ZAKLJUČCI
Energija je sposobnost kretanja materije. To se može transformirati modificiranjem njegove situacije ili stanja.
Termodinamika je znanost koja proučava razmjene i transformacije energije u procesima. Proučavanje energetskih transformacija u termodinamici temelji se na četiri zakona. Prvi i drugi zakon odnose se na kvalitet i količinu energije; dok su treći i četvrti zakon povezani sa termodinamičkim svojstvima (temperatura i entropija).
Temperatura je mjera stupnja uznemirenosti molekula koji čine tijelo, dok je toplina prijenos toplotne energije između dva tijela koja su na različitim temperaturama.
Termodinamička ravnoteža postoji kada je sistem istovremeno u toplotnoj ravnoteži, mehaničkoj ravnoteži i hemijskoj ravnoteži.
Zahvalnica: Za razvoj ovog članka imali smo čast imati savjet od Ing. Marisol Pino, specijalist za industrijske instrumentacije i upravljanje.