Termodynamik er en videnskab baseret på studiet af energi. Termodynamiske processer forekommer dagligt i hverdagen, i hjemmet, i industrien, med omdannelse af energi, såsom blandt andet klimaanlæg, køleskabe, biler, kedler. Derfor er vigtigheden af studiet af termodynamik, baseret på fire grundlæggende love, der fastslår sammenhængen mellem energikvaliteten og kvantiteten og de termodynamiske egenskaber.
For at forstå termodynamikens love skal man på en nem måde starte med nogle grundlæggende begreber, der er eksponeret nedenfor, såsom energi, varme, temperatur, blandt andre.
Vi inviterer dig til at se artiklen Kraften i Watt's lov (applikationer - øvelser)
Termodynamik
Lidt historie:
Termodynamik studerer udveksling og transformation af energi i processer. Allerede i 1600'erne begyndte Galileo at udføre undersøgelser på dette område med opfindelsen af glastermometeret og forholdet mellem væskens tæthed og dens temperatur.
Med den industrielle revolution udføres undersøgelser for at kende sammenhængen mellem varme, arbejde og energien af brændstoffer samt for at forbedre ydeevnen for dampmaskiner, nye termodynamik som studievidenskab, startende i 1697 med Thomas Saverys dampmaskine . Den første og anden lov om termodynamik blev etableret i 1850. Mange forskere som Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, blandt andre, bidrog til udviklingen af denne videnskab, "Termodynamik."
Hvad er termodynamik?
Termodynamik er en videnskab, der studerer energitransformationer. Siden oprindeligt blev det undersøgt, hvordan man omdanner varme til magt, i dampmaskiner, blev de græske ord "termos" og "dynamis" brugt til at navngive denne nye videnskab, der dannede ordet "termodynamik". Se figur 1.
Termodynamiske applikationer
Anvendelsesområdet for termodynamik er meget bredt. Transformationen af energi sker i flere processer fra menneskekroppen med fordøjelsen af mad til adskillige industrielle processer til produktion af produkter. I hjem er der også enheder, hvor termodynamik anvendes på jern, vandvarmere, klimaanlæg, blandt andre. Principperne for termodynamik anvendes også i en lang række områder, såsom i kraftværker, biler og raketter. Se figur 2.
Grundlæggende om Termodynamik
Energi (E)
Ejendomme til ethvert materiale eller ikke-materielt legeme eller system, der kan transformeres ved at ændre dets situation eller tilstand. Det defineres også som potentialet eller evnen til at flytte stof. I figur 3 kan du se nogle energikilder.
Energiformer
Energi kommer i mange former, såsom blandt andet vind, elektrisk, mekanisk, nuklear energi. I studiet af termodynamik anvendes kinetisk energi, potentiel energi og indre energi i legemer. Den kinetiske energi (Ec) er relateret til hastigheden, den potentielle energi (Ep) med højden og den indre energi (U) med bevægelsen af de interne molekyler. Se figur 4.
Varme (Q):
Overførsel af termisk energi mellem to legemer, der har forskellige temperaturer. Varme måles i Joule, BTU, pund-fødder eller i kalorier.
Temperatur (T):
Det er et mål for atomernes eller molekylernes kinetiske energi, der udgør ethvert materielt objekt. Det måler graden af omrøring af et indre objekts molekyler af dets termiske energi. Jo større molekylernes bevægelse er, jo højere temperatur. Det måles i grader Celsius, grader Kelvin, grader Rankine eller grader Fahrenheit. I figur 5 er ækvivalensen mellem nogle temperaturskalaer præsenteret.
Termodynamiske principper
Undersøgelsen af energitransformationer i termodynamik er baseret på fire love. Den første og anden lov er relateret til kvaliteten og kvantiteten af energi; mens den tredje og fjerde lov er relateret til termodynamiske egenskaber (temperatur og entropi). Se figur 6 og 7.
Første lov om termodynamik:
Den første lov fastlægger princippet om energibesparelse. Energi kan overføres fra en krop til en anden eller ændres til en anden form for energi, men den er altid bevaret, så den samlede mængde energi forbliver altid konstant.
En skøjte rampe er et godt eksempel på loven om bevarelse af energi, hvor det konstateres, at energi ikke skabes eller ødelægges, men omdannes til en anden type energi. For en skater som den i figur 8, når kun tyngdekraften påvirker, er vi nødt til at:
- Position 1: Når skateren er øverst på rampen, har han intern energi og potentiel energi på grund af den højde, han er i, men hans kinetiske energi er nul, da han ikke er i bevægelse (hastighed = 0 m / s).
- Position 2: Når skateren begynder at glide ned ad rampen, falder højden og mindsker den indre energi og den potentielle energi, men øger sin kinetiske energi, da hans hastighed stiger. Energien omdannes til kinetisk energi. Når skateren når rampens laveste punkt (position 2), er hans potentielle energi nul (højde = 0m), mens han opnår den højeste hastighed på sin rejse ned ad rampen.
- Position 3: Når rampen går op, mister skateren hastighed og mindsker sin kinetiske energi, men den indre energi øges og den potentielle energi, når han vinder højde.
Anden lov om termodynamik:
Den anden lov er relateret til "kvaliteten" af energi i optimeringen af konvertering og / eller transmission af energi. Denne lov fastslår, at energikvaliteten i virkelige processer har en tendens til at falde. Definitionen af den termodynamiske egenskab "entropi" introduceres. I udsagnene fra den anden lov fastslås det, hvornår en proces kan forekomme, og når den ikke kan, selvom den første lov fortsat overholdes. Se figur 9.
Nul lov:
Nul-loven siger, at hvis to systemer er i ligevægt med et tredje, er de i ligevægt med hinanden. For eksempel, for figur 10, hvis A er i termisk ligevægt med C, og C er i termisk ligevægt med B, så er A i termisk ligevægt med B.
Andre begreber i Termodynamik
System
En del af universet, der er af interesse eller undersøgelse. For koppen kaffe i figur 11 er "systemet" indholdet af koppen (kaffe), hvor overførslen af termisk energi kan studeres. Se figur 12. [4]
Miljø
Det er resten af universet uden for det system, der undersøges. I figur 12 betragtes kaffekoppen som den "kant", der indeholder kaffe (system), og hvad der er uden for koppen (kant) er systemets "miljø".
Termodynamisk ligevægt
Tilstand, hvor systemets egenskaber er veldefinerede og ikke varierer over tid. Når et system præsenterer termisk ligevægt, mekanisk ligevægt og kemisk ligevægt, er det i ”termodynamisk ligevægt”. I ligevægt kan et system ikke ændre dets tilstand, medmindre en ekstern agent virker på det. Se figur 13.
væg
Enhed, der tillader eller forhindrer interaktioner mellem systemer. Hvis væggen tillader passage af stof, siges det at være en gennemtrængelig væg. En adiabatisk væg er en, der ikke tillader varmeoverførsel mellem to systemer. Når væggen tillader overførsel af termisk energi, kaldes det en diatermisk væg. Se figur 14.
konklusioner
Energi er evnen til at flytte stof. Dette kan transformeres ved at ændre dets situation eller tilstand.
Termodynamik er en videnskab, der studerer udveksling og transformation af energi i processer. Undersøgelsen af energitransformationer i termodynamik er baseret på fire love. Den første og anden lov er relateret til kvaliteten og kvantiteten af energi; mens den tredje og fjerde lov er relateret til termodynamiske egenskaber (temperatur og entropi).
Temperatur er et mål for graden af omrøring af de molekyler, der udgør en krop, mens varme er overførsel af termisk energi mellem to kroppe, der har forskellige temperaturer.
Termodynamisk ligevægt eksisterer, når systemet er samtidigt i termisk ligevægt, mekanisk ligevægt og kemisk ligevægt.
Tak note: Til udviklingen af denne artikel har vi haft den ære at have råd fra Ing. Marisol Pino, specialist i industriel instrumentering og kontrol.