Základní elektřinatechnologie

Termodynamika, co to je a její aplikace

Termodynamika je věda založená na studiu energie. Termodynamické procesy se vyskytují každý den v každodenním životě, v domácnostech, v průmyslu s transformací energie, například v klimatizačních zařízeních, ledničkách, automobilech, kotlích atd. Proto je důležitost studia termodynamiky na základě čtyř základních zákonů, které vytvářejí vztahy mezi kvalitou a množstvím energie a termodynamickými vlastnostmi.

Abychom porozuměli zákonům termodynamiky, musíme snadným způsobem vycházet z některých základních pojmů, které jsou vystaveny níže, jako je energie, teplo, teplota, mimo jiné.

Zveme vás k přečtení článku Síla Wattova zákona (aplikace - cvičení)

Titul článku Síla Wattova zákona (Aplikace - cvičení)
citeia.com

Termodynamika

Trocha historie:

Termodynamika studuje výměny a transformace energie v procesech. Již v 1600. století začal Galileo v této oblasti provádět studie s vynálezem skleněného teploměru a vztahu hustoty kapaliny a její teploty.

S průmyslovou revolucí se provádějí studie, jejichž cílem je znát vztahy mezi teplem, prací a energií paliv, jakož i zlepšit výkon parních strojů, nově se objevující termodynamika jako vědecká studie, počínaje rokem 1697 s parním strojem Thomase Saveryho . První a druhý zákon termodynamiky byly stanoveny v roce 1850. Mnoho vědců jako Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell a další přispělo k rozvoji této vědy „Termodynamika“.

Co je termodynamika?

Termodynamika je věda, která studuje energetické transformace. Protože zpočátku bylo studováno, jak přeměňovat teplo na energii, v parních strojích se k pojmenování této nové vědy používala řecká slova „termos“ a „dynamis“, které formovaly slovo „termodynamika“. Viz obrázek 1.

Původ slova termodynamika
citeia.com (obr. 1)

Termodynamické aplikace

Oblast použití termodynamiky je velmi široká. Transformace energie probíhá v mnoha procesech od lidského těla s trávením potravy až po řadu průmyslových procesů výroby produktů. V domácnostech existují také zařízení, kde se termodynamika aplikuje mimo jiné na žehličky, ohřívače vody, klimatizace. Principy termodynamiky se také používají v celé řadě dalších oborů, například v elektrárnách, automobilech a raketách. Viz obrázek 2.

Některá použití termodynamiky
citeia.com (obr. 2)

Základy Termodynamika

Energie (E)

Vlastnost jakéhokoli hmotného nebo nehmotného těla nebo systému, které lze transformovat úpravou jeho situace nebo stavu. Je také definován jako potenciál nebo schopnost pohybovat hmotou. Na obrázku 3 vidíte některé zdroje energie.

Zdroje energie
citeia.com (obr. 3)

Formy energie

Energie má mnoho podob, například vítr, elektrickou, mechanickou, jadernou energii. Při studiu termodynamiky se používá kinetická energie, potenciální energie a vnitřní energie těles. Kinetická energie (Ec) souvisí s rychlostí, potenciální energií (Ep) s výškou a vnitřní energií (U) s pohybem vnitřních molekul. Viz obrázek 4.

Kinetická, potenciální a vnitřní energie v termodynamice.
citeia.com (obr. 4)

Teplo (Q):

Přenos tepelné energie mezi dvěma tělesy, která mají různé teploty. Teplo se měří v Joulech, BTU, stopách nebo v kaloriích.

Teplota (T):

Je to míra kinetické energie atomů nebo molekul, které tvoří jakýkoli hmotný objekt. Měří stupeň rozrušení vnitřních molekul objektu a jeho tepelné energie. Čím větší je pohyb molekul, tím vyšší je teplota. Měří se ve stupních Celsia, Kelvinech, Rankinových stupních nebo ve stupních Fahrenheita. Na obrázku 5 je uvedena ekvivalence mezi některými teplotními stupnicemi.

Některá srovnání a teplotní stupnice.
citeia.com (obr. 5)

Termodynamické principy

Studium energetických transformací v termodynamice je založeno na čtyřech zákonech. První a druhý zákon souvisí s kvalitou a množstvím energie; zatímco třetí a čtvrtý zákon souvisí s termodynamickými vlastnostmi (teplota a entropie). Viz obrázky 6 a 7.

Zákony týkající se energie v termodynamice.
citeia.com (obr. 6)

První zákon termodynamiky:

První zákon stanoví zásadu zachování energie. Energie může být přenesena z jednoho těla do druhého nebo změněna na jinou formu energie, ale je vždy zachována, takže celkové množství energie vždy zůstává konstantní.

Zákony týkající se termodynamických vlastností
citeia.com (obr. 7)

Bruslařská rampa je dobrým příkladem zákona zachování energie, kde se zjistí, že energie není vytvářena nebo ničena, ale je transformována na jiný typ energie. U bruslaře, jako je ten na obrázku 8, když ovlivňuje pouze gravitační síla, musíme:

  • Pozice 1: Když je bruslař na vrcholu rampy, má vnitřní energii a potenciální energii kvůli výšce, ve které se nachází, ale jeho kinetická energie je nulová, protože není v pohybu (rychlost = 0 m / s).
  • Pozice 2: Jak bruslař začíná klouzat po rampě, výška klesá, snižuje se vnitřní energie a potenciální energie, ale zvyšuje se jeho kinetická energie, jak se zvyšuje jeho rychlost. Energie se transformuje na energii kinetickou. Když bruslař dosáhne nejnižšího bodu rampy (pozice 2), jeho potenciální energie je nulová (výška = 0 m), zatímco na své cestě dolů z rampy dosáhne nejvyšší rychlosti.
  • Pozice 3: Jak rampa stoupá, bruslař ztrácí rychlost a snižuje svou kinetickou energii, ale vnitřní energie se zvyšuje a potenciální energie, jak získává výšku.
Úspora energie v termodynamice.
citeia.com (obr. 8)

Druhý zákon termodynamiky:

Druhý zákon souvisí s „kvalitou“ energie při optimalizaci přeměny a / nebo přenosu energie. Tento zákon stanoví, že ve skutečných procesech má kvalita energie tendenci klesat. Zavádí se definice termodynamické vlastnosti „entropie“. Ve tvrzeních druhého zákona je stanoveno, kdy může dojít k procesu a kdy k němu nemůže dojít, i když je nadále dodržován první zákon. Viz obrázek 9.

Smysl přenosu tepla.
citeia.com (obr. 9)

Nulový zákon:

Nulový zákon říká, že pokud jsou dva systémy v rovnováze s třetím, jsou ve vzájemné rovnováze. Například na obrázku 10, pokud je A v tepelné rovnováze s C, a C je v tepelné rovnováze s B, pak A je v tepelné rovnováze s B.

Nulový zákon termodynamiky
citeia.com (obr. 10)

Další koncepty Termodynamika

Systém

Část vesmíru, která je zajímavá nebo studovaná. U šálku kávy na obrázku 11 je „systém“ obsah šálku (kávy), kde lze studovat přenos tepelné energie. Viz obrázek 12. [4]

Systém, hranice a prostředí termodynamického systému.
citeia.com (obr. 11)

životní prostředí

Je to zbytek vesmíru mimo studovaný systém. Na obrázku 12 je šálek kávy považován za „hranici“, která obsahuje kávu (systém), a to, co je mimo šálek (hranice), je „prostředí“ systému.

Termodynamický systém, který vysvětluje termodynamickou rovnováhu.
citeia.com (obr. 12)

Termodynamická rovnováha

Stav, ve kterém jsou vlastnosti systému dobře definované a časem se nemění. Když systém představuje tepelnou rovnováhu, mechanickou rovnováhu a chemickou rovnováhu, je v „termodynamické rovnováze“. V rovnováze systém nemůže změnit svůj stav, pokud na něj nejedná externí agent. Viz obrázek 13.

Termodynamická rovnováha
citeia.com (obr. 13)

Zeď

Subjekt, který umožňuje nebo brání interakcím mezi systémy. Pokud zeď umožňuje průchod látky, jedná se o propustnou zeď. Adiabatická zeď je taková, která neumožňuje přenos tepla mezi dvěma systémy. Když stěna umožňuje přenos tepelné energie, nazývá se to diatermická stěna. Viz obrázek 14.

Stěna termodynamického systému
citeia.com (14 obr.)

Závěry

Energie je schopnost pohybovat hmotou. To lze transformovat změnou jeho situace nebo stavu.

Termodynamika je věda, která studuje výměny a transformace energie v procesech. Studium energetických transformací v termodynamice je založeno na čtyřech zákonech. První a druhý zákon souvisí s kvalitou a množstvím energie; zatímco třetí a čtvrtý zákon souvisí s termodynamickými vlastnostmi (teplota a entropie).

Teplota je měřítkem stupně rozrušení molekul, které tvoří tělo, zatímco teplo je přenos tepelné energie mezi dvěma tělesy, která mají různé teploty.

Termodynamická rovnováha existuje, když je systém současně v tepelné rovnováze, mechanické rovnováze a chemické rovnováze.

Poděkování: Při vývoji tohoto článku jsme měli tu čest nechat si poradit od Ing. Marisol Pino, specialista na průmyslové vybavení a řízení.