Thermodynameg, beth ydyw a'i gymwysiadau
Mae thermodynameg yn wyddoniaeth sy'n seiliedig ar astudio egni. Mae prosesau thermodynamig yn digwydd yn ddyddiol ym mywyd beunyddiol, mewn cartrefi, mewn diwydiant, wrth drawsnewid egni, megis mewn offer aerdymheru, oergelloedd, ceir, boeleri, ymhlith eraill. Felly, pwysigrwydd astudio Thermodynameg, yn seiliedig ar bedair deddf sylfaenol sy'n sefydlu'r perthnasoedd rhwng ansawdd a maint yr egni, a'r priodweddau thermodynamig.
Er mwyn deall deddfau Thermodynameg, mewn ffordd hawdd, rhaid cychwyn o rai cysyniadau sylfaenol sy'n cael eu hamlygu isod, fel egni, gwres, tymheredd, ymhlith eraill.
Rydym yn eich gwahodd i weld yr erthygl Deddf Pwer Watt (Ceisiadau - Ymarferion)
Thermodynameg
Hanes Ychydig:
Mae thermodynameg yn astudio cyfnewid a thrawsnewid ynni mewn prosesau. Eisoes yn y 1600au dechreuodd Galileo gynnal astudiaethau yn y maes hwn, gyda dyfeisio'r thermomedr gwydr, a pherthynas dwysedd hylif a'i dymheredd.
Gyda'r chwyldro diwydiannol, cynhelir astudiaethau i wybod y perthnasoedd rhwng gwres, gwaith ac egni tanwydd, yn ogystal â gwella perfformiad peiriannau stêm, thermodynameg sy'n dod i'r amlwg fel gwyddoniaeth astudio, gan ddechrau ym 1697 gydag injan stêm Thomas Savery. . Sefydlwyd deddfau cyntaf ac ail thermodynameg ym 1850. Cyfrannodd llawer o wyddonwyr fel Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, ymhlith eraill, at ddatblygiad y wyddoniaeth hon, "Thermodynameg."
Beth yw thermodynameg?
Mae thermodynameg yn wyddoniaeth sy'n astudio trawsnewidiadau ynni. Ers i ddechrau, astudiwyd sut i drawsnewid gwres yn bwer, mewn peiriannau stêm, defnyddiwyd y geiriau Groeg "thermos" a "dynamis" i enwi'r wyddoniaeth newydd hon, gan ffurfio'r gair "thermodynameg". Gweler ffigur 1.
Cymwysiadau thermodynamig
Mae maes cymhwyso thermodynameg yn eang iawn. Mae trawsnewid egni yn digwydd mewn sawl proses o'r corff dynol, gyda threuliad bwyd, hyd yn oed mewn nifer o brosesau diwydiannol ar gyfer cynhyrchu cynhyrchion. Mewn cartrefi mae dyfeisiau hefyd lle mae thermodynameg yn cael ei gymhwyso i heyrn, gwresogyddion dŵr, cyflyrwyr aer, ymhlith eraill. Mae egwyddorion thermodynameg hefyd yn cael eu defnyddio mewn amrywiaeth eang o feysydd, megis mewn gweithfeydd pŵer, automobiles, a rocedi. Gweler ffigur 2.
Hanfodion Thermodynameg
Ynni (E)
Eiddo unrhyw gorff neu system faterol neu ansafonol y gellir ei drawsnewid trwy addasu ei sefyllfa neu ei gyflwr. Fe'i diffinnir hefyd fel y potensial neu'r gallu i symud mater. Yn ffigur 3 gallwch weld rhai ffynonellau ynni.
Ffurfiau egni
Daw egni ar sawl ffurf, fel ynni gwynt, trydanol, mecanyddol, niwclear, ymhlith eraill. Wrth astudio thermodynameg, defnyddir egni cinetig, egni potensial ac egni mewnol cyrff. Mae'r egni cinetig (Ec) yn gysylltiedig â'r cyflymder, yr egni potensial (Ep) gyda'r uchder a'r egni mewnol (U) gyda symudiad y moleciwlau mewnol. Gweler ffigur 4.
Gwres (Q):
Trosglwyddo egni thermol rhwng dau gorff sydd ar dymheredd gwahanol. Mae gwres yn cael ei fesur mewn Joule, BTU, troedfedd punt, neu mewn calorïau.
Tymheredd (T):
Mae'n fesur o egni cinetig yr atomau neu'r moleciwlau sy'n ffurfio unrhyw wrthrych materol. Mae'n mesur graddfa cynnwrf moleciwlau mewnol gwrthrych, o'i egni thermol. Po fwyaf yw symudiad y moleciwlau, yr uchaf yw'r tymheredd. Fe'i mesurir mewn graddau Celsius, graddau Kelvin, graddau Rankine, neu raddau Fahrenheit. Yn ffigur 5 cyflwynir y cywerthedd rhwng rhai graddfeydd tymheredd.
Egwyddorion Thermodynamig
Mae'r astudiaeth o drawsnewidiadau ynni mewn thermodynameg yn seiliedig ar bedair deddf. Mae'r deddfau cyntaf a'r ail yn gysylltiedig ag ansawdd a maint yr egni; tra bod y drydedd a'r bedwaredd ddeddf yn gysylltiedig ag eiddo thermodynamig (tymheredd ac entropi). Gweler ffigurau 6 a 7.
Deddf Gyntaf Thermodynameg:
Mae'r gyfraith gyntaf yn sefydlu'r egwyddor o gadwraeth ynni. Gellir trosglwyddo egni o un corff i'r llall, neu ei newid i fath arall o egni, ond mae bob amser yn cael ei warchod, felly mae cyfanswm yr egni bob amser yn aros yn gyson.
Mae ramp sglefrio yn enghraifft dda o Gyfraith Cadwraeth ynni, lle darganfyddir nad yw ynni'n cael ei greu na'i ddinistrio, ond ei fod yn cael ei drawsnewid yn fath arall o egni. Ar gyfer sglefriwr fel yr un yn ffigur 8, pan mai dim ond y grym disgyrchiant sy'n dylanwadu, mae'n rhaid i ni:
- Swydd 1: Pan fydd y sglefriwr ar ben y ramp, mae ganddo egni mewnol ac egni potensial oherwydd yr uchder y mae arno, ond mae ei egni cinetig yn sero gan nad yw'n symud (cyflymder = 0 m / s).
- Swydd 2: Wrth i'r sglefriwr ddechrau llithro i lawr y ramp, mae'r uchder yn gostwng, gan ostwng yr egni mewnol a'r egni potensial, ond gan gynyddu ei egni cinetig, gan fod ei gyflymder yn cynyddu. Mae'r egni'n cael ei drawsnewid yn egni cinetig. Pan fydd y sglefriwr yn cyrraedd pwynt isaf y ramp (safle 2), ei egni potensial yw sero (uchder = 0m), tra ei fod yn caffael y cyflymder uchaf yn ei daith i lawr y ramp.
- Swydd 3: Wrth i'r ramp fynd i fyny, mae'r sglefriwr yn colli cyflymder, gan leihau ei egni cinetig, ond mae'r egni mewnol yn cynyddu, a'r egni potensial, wrth iddo ennill uchder.
Ail gyfraith thermodynameg:
Mae'r ail gyfraith yn gysylltiedig ag "ansawdd" ynni, wrth optimeiddio trosi a / neu drosglwyddo egni. Mae'r gyfraith hon yn sefydlu bod ansawdd ynni yn tueddu i ostwng mewn prosesau go iawn. Cyflwynir y diffiniad o'r eiddo thermodynamig "entropi". Yn natganiadau’r ail gyfraith, fe’i sefydlir pryd y gall proses ddigwydd a phryd na all wneud hynny, hyd yn oed os cydymffurfir â’r gyfraith gyntaf o hyd. Gweler ffigur 9.
Cyfraith Dim:
Mae'r gyfraith sero yn nodi, os yw dwy system mewn ecwilibriwm â thraean mewn ecwilibriwm â'i gilydd. Er enghraifft, ar gyfer Ffigur 10, os yw A mewn ecwilibriwm thermol â C, a C mewn ecwilibriwm thermol â B, yna mae A mewn ecwilibriwm thermol â B.
Cysyniadau eraill y T.ermodynameg
System
Rhan o'r bydysawd sydd o ddiddordeb neu astudiaeth. Ar gyfer y cwpanaid o goffi yn Ffigur 11, y "system" yw cynnwys y cwpan (coffi) lle gellir astudio trosglwyddo egni thermol. Gweler ffigur 12. [4]
Yr Amgylchedd
Mae'n weddill y bydysawd y tu allan i'r system sy'n cael ei hastudio. Yn Ffigur 12, ystyrir bod y cwpan coffi yn "ffin" sy'n cynnwys y coffi (system) a'r hyn sydd y tu allan i'r cwpan (ffin) yw "amgylchedd" y system.
Ecwilibriwm Thermodynamig
Nodwch ble mae priodweddau'r system wedi'u diffinio'n dda ac nad ydyn nhw'n amrywio dros amser. Pan fydd system yn cyflwyno ecwilibriwm thermol, ecwilibriwm mecanyddol a chydbwysedd cemegol, mae mewn “ecwilibriwm thermodynamig”. Mewn ecwilibriwm, ni all system addasu ei chyflwr oni bai bod asiant allanol yn gweithredu arno. Gweler ffigur 13.
Wal
Endid sy'n caniatáu neu'n atal rhyngweithio rhwng systemau. Os yw'r wal yn caniatáu i sylwedd fynd heibio, dywedir ei fod yn wal athraidd. Mae wal adiabatig yn un nad yw'n caniatáu trosglwyddo gwres rhwng dwy system. Pan fydd y wal yn caniatáu trosglwyddo egni thermol fe'i gelwir yn wal diathermig. Gweler ffigur 14.
Casgliadau
Ynni yw'r gallu i symud mater. Gellir trawsnewid hyn trwy addasu ei sefyllfa neu ei gyflwr.
Mae thermodynameg yn wyddoniaeth sy'n astudio cyfnewidiadau a thrawsnewidiadau ynni mewn prosesau. Mae'r astudiaeth o drawsnewidiadau ynni mewn thermodynameg yn seiliedig ar bedair deddf. Mae'r deddfau cyntaf a'r ail yn gysylltiedig ag ansawdd a maint yr egni; tra bod y drydedd a'r bedwaredd ddeddf yn gysylltiedig ag eiddo thermodynamig (tymheredd ac entropi).
Mae tymheredd yn fesur o raddau cynnwrf y moleciwlau sy'n ffurfio corff, tra bod gwres yn trosglwyddo egni thermol rhwng dau gorff sydd ar dymheredd gwahanol.
Mae ecwilibriwm thermodynamig yn bodoli pan fo'r system ar yr un pryd mewn ecwilibriwm thermol, ecwilibriwm mecanyddol, a chydbwysedd cemegol.
Nodyn diolch: Ar gyfer datblygu'r erthygl hon rydym wedi cael yr anrhydedd o gael cyngor y Margol Pino, Arbenigwr mewn Offeryniaeth a Rheolaeth Ddiwydiannol.