Θερμοδυναμική, τι είναι και οι εφαρμογές της

Η θερμοδυναμική είναι μια επιστήμη που βασίζεται στη μελέτη της ενέργειας. Οι θερμοδυναμικές διεργασίες συμβαίνουν καθημερινά στην καθημερινή ζωή, στα σπίτια, στη βιομηχανία, με τον μετασχηματισμό ενέργειας, όπως σε εξοπλισμό κλιματισμού, ψυγεία, αυτοκίνητα, λέβητες, μεταξύ άλλων. Εξ ου και η σημασία της μελέτης της Θερμοδυναμικής, βασίζεται σε τέσσερις βασικούς νόμους που καθορίζουν τις σχέσεις μεταξύ της ποιότητας και της ποσότητας ενέργειας και των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων.

Για να κατανοήσουμε τους νόμους της Θερμοδυναμικής, με εύκολο τρόπο, πρέπει να ξεκινήσουμε από κάποιες βασικές έννοιες που εκτίθενται παρακάτω, όπως ενέργεια, θερμότητα, θερμοκρασία, μεταξύ άλλων.

Σας προσκαλούμε να δείτε το άρθρο Η Δύναμη του Νόμου του Watt (Εφαρμογές - Ασκήσεις)

Θερμοδυναμική

Λίγο de historia:

Η θερμοδυναμική μελετά τις ανταλλαγές και τους μετασχηματισμούς ενέργειας σε διαδικασίες. Ήδη το 1600 το Galileo άρχισε να διεξάγει μελέτες σε αυτόν τον τομέα, με την εφεύρεση του θερμομέτρου γυαλιού, και τη σχέση της πυκνότητας ενός υγρού και της θερμοκρασίας του.

Με τη βιομηχανική επανάσταση, διεξάγονται μελέτες για να γνωρίζουμε τις σχέσεις μεταξύ θερμότητας, εργασίας και ενέργειας των καυσίμων, καθώς και για τη βελτίωση της απόδοσης των ατμομηχανών, αναδυόμενης θερμοδυναμικής ως επιστήμης μελέτης, ξεκινώντας το 1697 με τον ατμομηχανή του Thomas Savery . Ο πρώτος και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής θεσπίστηκαν το 1850. Πολλοί επιστήμονες όπως οι Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, μεταξύ άλλων, συνέβαλαν στην ανάπτυξη αυτής της επιστήμης, "Thermodynamics."

Τι είναι η θερμοδυναμική;

Η θερμοδυναμική είναι μια επιστήμη που μελετά τους ενεργειακούς μετασχηματισμούς. Από την αρχή μελετήθηκε πώς να μετατρέψει τη θερμότητα σε ισχύ, σε ατμομηχανές, οι ελληνικές λέξεις "θερμός" και "δυναμικές" χρησιμοποιήθηκαν για να ονομάσουν αυτή τη νέα επιστήμη, σχηματίζοντας τη λέξη "θερμοδυναμική" Βλέπε σχήμα 1.

Θερμοδυναμικές εφαρμογές

Ο τομέας εφαρμογής της θερμοδυναμικής είναι πολύ ευρύς. Ο μετασχηματισμός της ενέργειας συμβαίνει σε πολλαπλές διεργασίες από το ανθρώπινο σώμα, με την πέψη της τροφής, σε πολλές βιομηχανικές διαδικασίες για την παραγωγή προϊόντων. Στα σπίτια υπάρχουν επίσης συσκευές όπου η θερμοδυναμική εφαρμόζεται σε σίδερα, θερμοσίφωνες, κλιματιστικά, μεταξύ άλλων. Οι αρχές της θερμοδυναμικής εφαρμόζονται επίσης σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων, όπως σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, αυτοκίνητα και πυραύλους. Βλέπε σχήμα 2.

Βασικά στοιχεία του Θερμοδυναμική

Ενέργεια (Ε)

Ιδιότητα οποιουδήποτε υλικού ή μη υλικού σώματος ή συστήματος που μπορεί να μετατραπεί τροποποιώντας την κατάσταση ή την κατάστασή του. Ορίζεται επίσης ως η δυνατότητα ή η ικανότητα να μετακινεί την ύλη. Στο σχήμα 3 μπορείτε να δείτε μερικές πηγές ενέργειας.

Μορφές ενέργειας

Η ενέργεια έρχεται σε πολλές μορφές, όπως η αιολική, η ηλεκτρική, η μηχανική, η πυρηνική ενέργεια, μεταξύ άλλων. Στη μελέτη της θερμοδυναμικής, χρησιμοποιείται η κινητική ενέργεια, η πιθανή ενέργεια και η εσωτερική ενέργεια των σωμάτων. Η κινητική ενέργεια (Ec) σχετίζεται με την ταχύτητα, την πιθανή ενέργεια (Ep) με το ύψος και την εσωτερική ενέργεια (U) με την κίνηση των εσωτερικών μορίων. Βλέπε σχήμα 4.

Θερμότητα (Q):

Μεταφορά θερμικής ενέργειας μεταξύ δύο σωμάτων που βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Η θερμότητα μετράται σε Joule, BTU, λίβρες-πόδια ή σε θερμίδες.

Θερμοκρασία (T):

Είναι ένα μέτρο της κινητικής ενέργειας των ατόμων ή των μορίων που αποτελούν οποιοδήποτε υλικό αντικείμενο. Μετρά τον βαθμό ανάδευσης των εσωτερικών μορίων ενός αντικειμένου, της θερμικής του ενέργειας. Όσο μεγαλύτερη είναι η κίνηση των μορίων, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία. Μετράται σε βαθμούς Κελσίου, βαθμούς Κέλβιν, βαθμούς Ρανκίν ή βαθμούς Φαρενάιτ. Στο σχήμα 5 παρουσιάζεται η ισοδυναμία μεταξύ ορισμένων κλιμάκων θερμοκρασίας.

Θερμοδυναμικές αρχές

Η μελέτη των ενεργειακών μετασχηματισμών στη θερμοδυναμική βασίζεται σε τέσσερις νόμους. Ο πρώτος και ο δεύτερος νόμος σχετίζονται με την ποιότητα και την ποσότητα ενέργειας. ενώ ο τρίτος και ο τέταρτος νόμος σχετίζονται με θερμοδυναμικές ιδιότητες (θερμοκρασία και εντροπία). Βλέπε σχήματα 6 και 7.

Πρώτος Νόμος Θερμοδυναμικής:

Ο πρώτος νόμος θεσπίζει την αρχή της διατήρησης της ενέργειας. Η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί από το ένα σώμα στο άλλο, ή να αλλάξει σε άλλη μορφή ενέργειας, αλλά διατηρείται πάντα, έτσι η συνολική ποσότητα ενέργειας παραμένει πάντα σταθερή.

Η ράμπα πατινάζ είναι ένα καλό παράδειγμα του νόμου για τη διατήρηση της ενέργειας, όπου διαπιστώνεται ότι η ενέργεια δεν δημιουργείται ή καταστρέφεται, αλλά μετατρέπεται σε άλλο είδος ενέργειας. Για έναν σκέιτερ όπως αυτός στο σχήμα 8, όταν επηρεάζει μόνο η βαρυτική δύναμη, πρέπει:

• Θέση 1: Όταν ο σκέιτερ βρίσκεται στην κορυφή της ράμπας, έχει εσωτερική ενέργεια και πιθανή ενέργεια λόγω του ύψους στο οποίο βρίσκεται, αλλά η κινητική του ενέργεια είναι μηδενική επειδή δεν κινείται (ταχύτητα = 0 m / s).
• Θέση 2: Καθώς ο σκέιτερ αρχίζει να πέφτει κάτω από τη ράμπα, το ύψος μειώνεται, μειώνοντας την εσωτερική ενέργεια και τη δυνητική ενέργεια, αλλά αυξάνοντας την κινητική του ενέργεια, καθώς η ταχύτητά του αυξάνεται. Η ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Όταν ο σκέιτερ φτάσει στο χαμηλότερο σημείο της ράμπας (θέση 2), η δυναμική του ενέργεια είναι μηδέν (ύψος = 0m), ενώ αποκτά την υψηλότερη ταχύτητα στο ταξίδι του κάτω από τη ράμπα.
• Θέση 3: Καθώς η ράμπα ανεβαίνει, ο σκέιτερ χάνει ταχύτητα, μειώνοντας την κινητική του ενέργεια, αλλά η εσωτερική ενέργεια αυξάνεται και η πιθανή ενέργεια, καθώς κερδίζει ύψος.

Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής:

Ο δεύτερος νόμος σχετίζεται με την «ποιότητα» της ενέργειας, στη βελτιστοποίηση της μετατροπής ή / και της μετάδοσης ενέργειας. Αυτός ο νόμος ορίζει ότι σε πραγματικές διαδικασίες η ποιότητα της ενέργειας τείνει να μειώνεται. Εισάγεται ο ορισμός της θερμοδυναμικής ιδιότητας "εντροπία". Στις δηλώσεις του δεύτερου νόμου, καθορίζεται πότε μπορεί να συμβεί μια διαδικασία και πότε δεν μπορεί, ακόμη και αν ο πρώτος νόμος εξακολουθεί να τηρείται. Βλέπε σχήμα 9.

Μηδενικός νόμος:

Ο μηδενικός νόμος δηλώνει ότι εάν δύο συστήματα σε ισορροπία με το ένα τρίτο βρίσκονται σε ισορροπία μεταξύ τους. Για παράδειγμα, για το Σχήμα 10, εάν το Α βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το C, και το C βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το Β, τότε το Α βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το Β.

Άλλες έννοιες του Τεργοδυναμική

Σύστημα

Μέρος του σύμπαντος που ενδιαφέρει ή μελετά. Για το φλιτζάνι του καφέ στο σχήμα 11, το "σύστημα" είναι το περιεχόμενο του φλιτζανιού (καφέ) όπου μπορεί να μελετηθεί η μεταφορά θερμικής ενέργειας. Βλέπε σχήμα 12. [4]

Περιβάλλον

Είναι το υπόλοιπο σύμπαν έξω από το υπό μελέτη σύστημα. Στο Σχήμα 12, το φλιτζάνι καφέ θεωρείται το "περίγραμμα" που περιέχει τον καφέ (σύστημα) και αυτό που βρίσκεται έξω από το κύπελλο (περίγραμμα) είναι το "περιβάλλον" του συστήματος.

Θερμοδυναμική ισορροπία

Κατάσταση στην οποία οι ιδιότητες του συστήματος είναι καλά καθορισμένες και δεν διαφέρουν με την πάροδο του χρόνου. Όταν ένα σύστημα παρουσιάζει θερμική ισορροπία, μηχανική ισορροπία και χημική ισορροπία, βρίσκεται σε «θερμοδυναμική ισορροπία». Σε ισορροπία, ένα σύστημα δεν μπορεί να τροποποιήσει την κατάστασή του, εκτός εάν ένας εξωτερικός παράγοντας ενεργεί σε αυτό. Βλέπε σχήμα 13.

τοίχος

Οντότητα που επιτρέπει ή αποτρέπει αλληλεπιδράσεις μεταξύ συστημάτων. Εάν το τοίχωμα επιτρέπει τη διέλευση της ουσίας, λέγεται ότι είναι ένα διαπερατό τοίχωμα. Ένας αδιαβατικός τοίχος είναι αυτός που δεν επιτρέπει τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ δύο συστημάτων. Όταν ο τοίχος επιτρέπει τη μεταφορά θερμικής ενέργειας ονομάζεται διαθερμικός τοίχος. Βλέπε σχήμα 14.

Συμπεράσματα

Η ενέργεια είναι η ικανότητα μετακίνησης της ύλης. Αυτό μπορεί να μετατραπεί τροποποιώντας την κατάσταση ή την κατάστασή του.

Η θερμοδυναμική είναι μια επιστήμη που μελετά τις ανταλλαγές και τους μετασχηματισμούς ενέργειας σε διαδικασίες. Η μελέτη των ενεργειακών μετασχηματισμών στη θερμοδυναμική βασίζεται σε τέσσερις νόμους. Ο πρώτος και ο δεύτερος νόμος σχετίζονται με την ποιότητα και την ποσότητα ενέργειας. ενώ ο τρίτος και ο τέταρτος νόμος σχετίζονται με θερμοδυναμικές ιδιότητες (θερμοκρασία και εντροπία).

Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο του βαθμού ανάδευσης των μορίων που αποτελούν ένα σώμα, ενώ η θερμότητα είναι η μεταφορά θερμικής ενέργειας μεταξύ δύο σωμάτων που βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Η θερμοδυναμική ισορροπία υπάρχει όταν το σύστημα βρίσκεται ταυτόχρονα σε θερμική ισορροπία, μηχανική ισορροπία και χημική ισορροπία.

Ευχαριστήριο σημείωμα: Για την ανάπτυξη αυτού του άρθρου είχαμε την τιμή να έχουμε τη συμβουλή του Ing. Marisol Pino, Ειδικός στη Βιομηχανική Οργάνωση και Έλεγχος.