Termodünaamika on teadus, mis põhineb energia uurimisel. Termodünaamilised protsessid toimuvad igapäevaselt igapäevaelus, kodudes, tööstuses koos energia muundumisega, nagu näiteks kliimaseadmed, külmikud, autod, katlad. Siit tuleneb ka termodünaamika uurimise tähtsus, mis põhineb neljal põhiseadusel, mis loovad seoseid energia kvaliteedi ja kvantiteedi ning termodünaamiliste omaduste vahel.
Termodünaamika seaduste mõistmiseks tuleb lihtsal viisil lähtuda mõnest põhikontseptsioonist, mis on muu hulgas allpool, näiteks energia, soojus, temperatuur.
Kutsume teid artiklit vaatama Wati seaduse jõud (rakendused - harjutused)
Termodünaamika
Vähe de historia:
Termodünaamika uurib energia vahetusi ja muundumisi protsessides. Juba 1600-ndatel aastatel hakkas Galileo selles piirkonnas läbi viima klaastermomeetri leiutamise ning vedeliku tiheduse ja temperatuuri suhte suhet.
Tööstusrevolutsiooniga viiakse läbi uuringud, et teada saada seoseid soojuse, töö ja kütuste energia vahel, samuti parandada aurumasinate jõudlust, alustades termodünaamikast kui uurimisteadusest, alates 1697. aastast Thomas Savery aurumasinaga. Esimene ja teine termodünaamika seadus kehtestati aastal 1850. Selle teaduse "Termodünaamika" arengusse aitasid teiste seas kaasa paljud teadlased, näiteks Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell.
Mis on termodünaamika?
Termodünaamika on teadus, mis uurib energiamuundumisi. Kuna algselt uuriti, kuidas soojust elektrienergiaks muuta, kasutati aurumasinates selle uue teaduse nimetamiseks kreekakeelseid sõnu "termos" ja "dünamis", moodustades sõna "termodünaamika". Vaata joonist 1.
Termodünaamilised rakendused
Termodünaamika rakendusala on väga lai. Energia muundumine toimub inimkehas mitmel protsessil koos toidu seedimisega, isegi toodete tootmiseks mõeldud arvukates tööstusprotsessides. Kodudes on ka seadmeid, kus termodünaamikat rakendatakse muu hulgas triikraudadele, veesoojenditele, kliimaseadmetele. Termodünaamika põhimõtteid rakendatakse ka väga erinevates valdkondades, näiteks elektrijaamades, autodes ja rakettides. Vaata joonist 2.
Põhitõed Termodünaamika
Energia (E)
Mis tahes materiaalse või mittemateriaalse keha või süsteemi omadus, mida saab muuta, muutes selle olukorda või olekut. Seda määratletakse ka kui aine liikumise potentsiaali või võimet. Joonisel 3 on näha mõned energiaallikad.
Energiavormid
Energiat on mitmel kujul, näiteks tuule-, elektri-, mehaanika-, tuumaenergiat. Termodünaamika uurimisel kasutatakse kineetilist energiat, potentsiaalset energiat ja kehade siseenergiat. Kineetiline energia (Ec) on seotud kiiruse, potentsiaalse energiaga (Ep) kõrguse ja siseenergiaga (U) sisemolekulide liikumisega. Vaata joonist 4.
Kuumus (Q):
Soojusenergia ülekandmine kahe erineval temperatuuril asuva keha vahel. Soojust mõõdetakse joule, BTU, nael-jalad või kalorid.
Temperatuur (T):
See on mis tahes materiaalse objekti moodustavate aatomite või molekulide kineetilise energia mõõt. See mõõdab objekti sisemolekulide, selle soojusenergia segamise astet. Mida suurem on molekulide liikumine, seda kõrgem on temperatuur. Seda mõõdetakse Celsiuse, Kelvini, Rankine või Fahrenheiti kraadides. Joonisel 5 on esitatud mõnede temperatuuriskaalade samaväärsus.
Termodünaamilised põhimõtted
Termodünaamika energiamuundumuste uurimine põhineb neljal seadusel. Esimene ja teine seadus on seotud energia kvaliteedi ja kvantiteediga; kolmas ja neljas seadus on seotud termodünaamiliste omadustega (temperatuur ja entroopia). Vt joonised 6 ja 7.
Esimene termodünaamika seadus:
Esimene seadus kehtestab energia säästmise põhimõtte. Energiat saab kanda ühest kehast teise või muuta seda teiseks energiavormiks, kuid see on alati konserveerunud, nii et kogu energia hulk jääb alati konstantseks.
Uisurada on hea näide energiasäästu seadusest, kus leitakse, et energiat ei looda ega hävitata, vaid see muudetakse teist tüüpi energiaks. Sellise uisutaja jaoks nagu joonisel 8, kui mõjutab ainult gravitatsioonijõud, peame:
- 1. positsioon: Kui uisutaja on kaldtee tipus, on tal kõrguse tõttu sisemine energia ja potentsiaalne energia, kuid tema kineetiline energia on null, kuna ta ei liigu (kiirus = 0 m / s).
- 2. positsioon: Kui uisutaja hakkab kaldteelt alla libisema, väheneb kõrgus, vähendades siseenergiat ja potentsiaalset energiat, kuid suurendades tema kineetilist energiat, kuna kiirus suureneb. Energia muundatakse kineetiliseks energiaks. Kui uisutaja jõuab kaldtee madalaimasse punkti (asend 2), on tema potentsiaalne energia null (kõrgus = 0m), samal ajal kui ta saavutab suurima kiiruse oma teelt mööda kaldteed.
- 3. positsioon: Kui kaldtee tõuseb, kaotab uisutaja kiiruse, vähendades kineetilist energiat, kuid siseenergia ja potentsiaalne energia suureneb kõrguse kasvades.
Termodünaamika teine seadus:
Teine seadus on seotud energia "muundamise" ja / või edastamise optimeerimisega. Selle seadusega tehakse kindlaks, et reaalsetes protsessides kipub energia kvaliteet langema. Tutvustatakse termodünaamilise omaduse "entroopia" määratlust. Teise seaduse avaldustes on kindlaks tehtud, millal protsess võib toimuda ja millal mitte, isegi kui esimese seaduse täitmist jätkatakse. Vaata joonist 9.
Null seadus:
Nullseadus ütleb, et kui kaks süsteemi on tasakaalus kolmandaga, on nad omavahel tasakaalus. Näiteks kui joonisel 10 on A termilise tasakaalu C-ga ja C termilise tasakaalu B-ga, siis A on B-ga termilises tasakaalus.
Teised T mõistedermodünaamika
Süsteem
Osa universumist, mis pakub huvi või mida uuritakse. Joonisel 11 toodud kohvitassi puhul on "süsteem" tassi (kohvi) sisu, kus saab uurida soojusenergia ülekannet. Vaata joonist 12. [4]
Keskkond
See on ülejäänud universum, mis on väljaspool uuritavat süsteemi. Joonisel 12 peetakse kohvitassi "piiriks", mis sisaldab kohvi (süsteemi) ja see, mis on väljaspool tassi (piir), on süsteemi "keskkond".
Termodünaamiline tasakaal
Olek, kus süsteemi omadused on hästi määratletud ega muutu ajas. Kui süsteemil on termiline tasakaal, mehaaniline tasakaal ja keemiline tasakaal, on see termodünaamilises tasakaalus. Tasakaalus ei saa süsteem oma olekut muuta, kui sellele ei tegutse väline agent. Vaata joonist 13.
Sein
Üksus, mis lubab või takistab süsteemidevahelist suhtlemist. Kui sein võimaldab aine läbipääsu, on see väidetavalt läbilaskev sein. Adiabaatiline sein on selline, mis ei võimalda soojusülekannet kahe süsteemi vahel. Kui sein võimaldab soojusenergia ülekandmist, nimetatakse seda diatermiliseks seinaks. Vaata joonist 14.
Järeldused
Energia on võime ainet liigutada. Seda saab muuta, muutes selle olukorda või olekut.
Termodünaamika on teadus, mis uurib energia vahetumist ja muundumist protsessides. Termodünaamika energiamuundumuste uurimine põhineb neljal seadusel. Esimene ja teine seadus on seotud energia kvaliteedi ja kvantiteediga; kolmas ja neljas seadus on seotud termodünaamiliste omadustega (temperatuur ja entroopia).
Temperatuur on keha moodustavate molekulide segamisastme mõõt, soojus aga soojusenergia ülekandmine kahe erineval temperatuuril asuva keha vahel.
Termodünaamiline tasakaal on olemas, kui süsteem on samaaegselt termilises, mehaanilises ja keemilises tasakaalus.
Tänan teid: Selle artikli väljatöötamisel on meil olnud au küsida Ing. Marisol Pino, tööstuslike instrumentide ja juhtimise spetsialist.