Thermodynamik, was es ist und seine Anwendungen
Die Thermodynamik ist eine Wissenschaft, die auf dem Studium der Energie basiert. Thermodynamische Prozesse finden täglich im Alltag, in Privathaushalten, in der Industrie und unter Umwandlung von Energie statt, z. B. in Klimaanlagen, Kühlschränken, Autos und Kesseln. Daher die Bedeutung des Studiums der Thermodynamik, das auf vier Grundgesetzen basiert, die die Beziehungen zwischen der Qualität und Quantität der Energie und den thermodynamischen Eigenschaften herstellen.
Um die Gesetze der Thermodynamik auf einfache Weise zu verstehen, muss man von einigen grundlegenden Konzepten ausgehen, die im Folgenden behandelt werden, wie z. B. Energie, Wärme, Temperatur.
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Thermodynamik
Ein wenig Geschichte:
Die Thermodynamik untersucht den Austausch und die Umwandlung von Energie in Prozessen. Bereits im 1600. Jahrhundert begann Galileo mit der Erfindung des Glasthermometers und der Beziehung zwischen der Dichte eines Fluids und seiner Temperatur, Untersuchungen auf diesem Gebiet durchzuführen.
Mit der industriellen Revolution werden Studien durchgeführt, um die Beziehungen zwischen Wärme, Arbeit und Energie von Brennstoffen zu kennen und um die Leistung von Dampfmaschinen zu verbessern. Die Thermodynamik wurde ab 1697 mit der Dampfmaschine von Thomas Savery zu einer wissenschaftlichen Wissenschaft . Der erste und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wurden 1850 eingeführt. Viele Wissenschaftler wie Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs und Maxwell trugen unter anderem zur Entwicklung dieser Wissenschaft "Thermodynamik" bei.
Was ist Thermodynamik?
Die Thermodynamik ist eine Wissenschaft, die Energieumwandlungen untersucht. Da zunächst untersucht wurde, wie Wärme in Strom umgewandelt werden kann, wurden in Dampfmaschinen die griechischen Wörter "Thermoskanne" und "Dynamis" verwendet, um diese neue Wissenschaft zu benennen und das Wort "Thermodynamik" zu bilden. Siehe Abbildung 1.
Thermodynamische Anwendungen
Der Anwendungsbereich der Thermodynamik ist sehr breit. Die Umwandlung von Energie erfolgt in mehreren Prozessen des menschlichen Körpers mit der Verdauung von Lebensmitteln, selbst in zahlreichen industriellen Prozessen zur Herstellung von Produkten. In Privathaushalten gibt es auch Geräte, bei denen die Thermodynamik unter anderem auf Bügeleisen, Warmwasserbereiter und Klimaanlagen angewendet wird. Die Prinzipien der Thermodynamik werden auch in einer Vielzahl von Bereichen angewendet, beispielsweise in Kraftwerken, Automobilen und Raketen. Siehe Abbildung 2.
Grundlagen von Thermodynamik
Energie (E)
Eigentum eines materiellen oder immateriellen Körpers oder Systems, das durch Ändern seiner Situation oder seines Zustands transformiert werden kann. Es ist auch definiert als das Potenzial oder die Fähigkeit, Materie zu bewegen. In Abbildung 3 sehen Sie einige Energiequellen.
Energieformen
Energie gibt es in vielen Formen, unter anderem in den Bereichen Wind, Elektrik, Mechanik und Kernenergie. Bei der Untersuchung der Thermodynamik werden kinetische Energie, potentielle Energie und innere Energie von Körpern verwendet. Die kinetische Energie (Ec) hängt mit der Geschwindigkeit, der potentiellen Energie (Ep) mit der Höhe und der inneren Energie (U) mit der Bewegung der inneren Moleküle zusammen. Siehe Abbildung 4.
Hitze (Q):
Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei Körpern mit unterschiedlichen Temperaturen. Die Wärme wird in Joule, BTU, Pfund-Fuß oder in Kalorien gemessen.
Temperatur (T):
Es ist ein Maß für die kinetische Energie der Atome oder Moleküle, aus denen jedes materielle Objekt besteht. Es misst den Grad der Bewegung der inneren Moleküle eines Objekts, seiner Wärmeenergie. Je größer die Bewegung der Moleküle ist, desto höher ist die Temperatur. Es wird in Grad Celsius, Grad Kelvin, Grad Rankine oder Grad Fahrenheit gemessen. In Abbildung 5 ist die Äquivalenz zwischen einigen Temperaturskalen dargestellt.
Thermodynamische Prinzipien
Die Untersuchung von Energieumwandlungen in der Thermodynamik basiert auf vier Gesetzen. Das erste und das zweite Gesetz beziehen sich auf die Qualität und Quantität der Energie; während der dritte und vierte Hauptsatz sich auf thermodynamische Eigenschaften (Temperatur und Entropie) beziehen. Siehe Abbildungen 6 und 7.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik:
Das erste Gesetz legt das Prinzip der Energieeinsparung fest. Energie kann von einem Körper auf einen anderen übertragen oder in eine andere Energieform umgewandelt werden, bleibt jedoch immer erhalten, sodass die Gesamtenergiemenge immer konstant bleibt.
Eine Eislauframpe ist ein gutes Beispiel für das Energieerhaltungsgesetz, bei dem festgestellt wird, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört wird, sondern in eine andere Art von Energie umgewandelt wird. Für einen Skater wie den in Abbildung 8, wenn nur die Gravitationskraft beeinflusst, müssen wir:
- Position 1: Wenn sich der Skater oben auf der Rampe befindet, hat er aufgrund seiner Höhe innere Energie und potentielle Energie, aber seine kinetische Energie ist Null, da er nicht in Bewegung ist (Geschwindigkeit = 0 m / s).
- Position 2: Wenn der Skater beginnt, die Rampe hinunterzurutschen, nimmt die Höhe ab, wodurch die innere Energie und die potentielle Energie verringert werden, aber seine kinetische Energie erhöht wird, da seine Geschwindigkeit zunimmt. Die Energie wird in kinetische Energie umgewandelt. Wenn der Skater den tiefsten Punkt der Rampe erreicht (Position 2), ist seine potentielle Energie Null (Höhe = 0 m), während er auf seiner Fahrt die Rampe hinunter die höchste Geschwindigkeit erreicht.
- Position 3: Wenn die Rampe nach oben geht, verliert der Skater an Geschwindigkeit und verringert seine kinetische Energie, aber die innere Energie nimmt zu und die potentielle Energie, wenn er an Höhe gewinnt.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik:
Das zweite Gesetz bezieht sich auf die "Qualität" der Energie bei der Optimierung der Umwandlung und / oder Übertragung von Energie. Dieses Gesetz legt fest, dass in realen Prozessen die Energiequalität tendenziell abnimmt. Die Definition der thermodynamischen Eigenschaft "Entropie" wird eingeführt. In den Aussagen des zweiten Gesetzes wird festgelegt, wann ein Prozess stattfinden kann und wann nicht, selbst wenn das erste Gesetz weiterhin eingehalten wird. Siehe Abbildung 9.
Nullgesetz:
Das Nullgesetz besagt, dass zwei Systeme, die sich im Gleichgewicht mit einem dritten befinden, im Gleichgewicht miteinander sind. Wenn sich beispielsweise in Fig. 10 A im thermischen Gleichgewicht mit C befindet und C im thermischen Gleichgewicht mit B ist, befindet sich A im thermischen Gleichgewicht mit B.
Andere Konzepte des T.Ermodynamik
System
Ein Teil des Universums, der von Interesse ist oder studiert. Für die Tasse Kaffee in Abbildung 11 ist das "System" der Inhalt der Tasse (Kaffee), in dem die Übertragung von Wärmeenergie untersucht werden kann. Siehe Abbildung 12. [4]
Umwelt
Es ist der Rest des Universums außerhalb des untersuchten Systems. In Abbildung 12 wird die Kaffeetasse als "Rand" betrachtet, der den Kaffee (System) enthält, und was sich außerhalb der Tasse (Rand) befindet, ist die "Umgebung" des Systems.
Thermodynamisches Gleichgewicht
Zustand, in dem die Eigenschaften des Systems genau definiert sind und sich im Laufe der Zeit nicht ändern. Wenn ein System ein thermisches Gleichgewicht, ein mechanisches Gleichgewicht und ein chemisches Gleichgewicht aufweist, befindet es sich im „thermodynamischen Gleichgewicht“. Im Gleichgewicht kann ein System seinen Zustand nur ändern, wenn ein externer Agent auf ihn einwirkt. Siehe Abbildung 13.
Wand
Entität, die Interaktionen zwischen Systemen zulässt oder verhindert. Wenn die Wand den Durchgang von Substanz zulässt, spricht man von einer durchlässigen Wand. Eine adiabatische Wand ist eine Wand, die keine Wärmeübertragung zwischen zwei Systemen zulässt. Wenn die Wand die Übertragung von Wärmeenergie ermöglicht, spricht man von einer diathermischen Wand. Siehe Abbildung 14.
Schlussfolgerungen
Energie ist die Fähigkeit, Materie zu bewegen. Dies kann durch Ändern der Situation oder des Zustands geändert werden.
Die Thermodynamik ist eine Wissenschaft, die den Austausch und die Umwandlung von Energie in Prozessen untersucht. Die Untersuchung von Energieumwandlungen in der Thermodynamik basiert auf vier Gesetzen. Das erste und das zweite Gesetz beziehen sich auf die Qualität und Quantität der Energie; während der dritte und vierte Hauptsatz sich auf thermodynamische Eigenschaften (Temperatur und Entropie) beziehen.
Die Temperatur ist ein Maß für den Grad der Bewegung der Moleküle, aus denen ein Körper besteht, während Wärme die Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei Körpern mit unterschiedlichen Temperaturen ist.
Das thermodynamische Gleichgewicht liegt vor, wenn sich das System gleichzeitig im thermischen Gleichgewicht, im mechanischen Gleichgewicht und im chemischen Gleichgewicht befindet.
Dankeschön: Für die Entwicklung dieses Artikels hatten wir die Ehre, den Rat des Ing. Marisol Pino, Spezialist für industrielle Instrumentierung und Steuerung.