ترمودینامیک ، آنچه در آن است و کاربردهای آن

ترمودینامیک علمی است که مبتنی بر مطالعه انرژی است. فرآیندهای ترمودینامیکی روزمره در زندگی روزمره ، در خانه ها ، در صنعت و با تبدیل انرژی مانند تجهیزات تهویه مطبوع ، یخچال ها ، اتومبیل ها ، دیگهای بخار و غیره اتفاق می افتد. از این رو اهمیت مطالعه ترمودینامیک ، بر اساس چهار قانون اساسی که روابط بین کیفیت و کمیت انرژی و خصوصیات ترمودینامیکی را برقرار می کند ، اهمیت دارد.

برای درک قوانین ترمودینامیک ، به روشی آسان ، باید از برخی مفاهیم اساسی که در زیر قرار می گیرند ، مانند انرژی ، گرما ، دما و سایر موارد ، شروع شود.

ما شما را به دیدن مقاله دعوت می کنیم قدرت قانون وات (برنامه ها - تمرینات)

ترمودینامیک

تاریخ کمی:

ترمودینامیک تبادلات و تبدیل انرژی در فرآیندها را مطالعه می کند. پیش از این در دهه 1600 ، گالیله با اختراع دماسنج شیشه ای و رابطه تراکم سیال و دمای آن ، مطالعاتی را در این زمینه آغاز کرد.

با انقلاب صنعتی ، مطالعاتی برای شناخت روابط بین گرما ، کار و انرژی سوخت ها و همچنین برای بهبود عملکرد موتورهای بخار انجام می شود ، ترمودینامیک ظهور می کند به عنوان یک علم مطالعه ، شروع در سال 1697 با موتور بخار توماس ساوری . قانون اول و دوم ترمودینامیک در سال 1850 تأسیس شد. بسیاری از دانشمندان مانند ژول ، کلوین ، کلاوزیوس ، بولتزمن ، کارنو ، کلپیرون ، گیبس ، ماکسول و غیره ، در توسعه این علم "ترمودینامیک" نقش داشتند.

ترمودینامیک چیست؟

ترمودینامیک علمی است که تحولات انرژی را مطالعه می کند. از آنجا که در ابتدا نحوه تبدیل گرما به نیرو مورد بررسی قرار گرفت ، در موتورهای بخار ، از کلمات یونانی "ترموس" و "دینامیس" برای نامگذاری این علم جدید استفاده شد و کلمه "ترمودینامیک" را تشکیل دادند. شکل 1 را ببینید.

برنامه های ترمودینامیکی

منطقه کاربرد ترمودینامیک بسیار گسترده است. تبدیل انرژی در چندین فرآیند از بدن انسان ، با هضم غذا ، به فرآیندهای صنعتی متعدد برای تولید محصولات رخ می دهد. در خانه ها همچنین دستگاههایی وجود دارد که ترمودینامیک روی آهن ، بخاری آب ، تهویه هوا و غیره اعمال می شود. اصول ترمودینامیک همچنین در طیف گسترده ای از زمینه های دیگر مانند نیروگاه ها ، اتومبیل ها و موشک ها اعمال می شود. شکل 2 را ببینید.

مبانی ترمودینامیک

انرژی (E)

خاصیت هر جسم یا سیستم مادی یا غیر مادی است که می تواند با اصلاح وضعیت یا حالت آن تغییر شکل دهد. همچنین به عنوان پتانسیل یا توانایی حرکت دادن ماده تعریف می شود. در شکل 3 می توانید برخی از منابع انرژی را مشاهده کنید.

اشکال انرژی

انرژی انواع مختلفی دارد ، مانند انرژی باد ، انرژی الکتریکی ، مکانیکی ، هسته ای و غیره. در مطالعه ترمودینامیک ، از انرژی جنبشی ، انرژی پتانسیل و انرژی درونی بدن استفاده می شود. انرژی جنبشی (Ec) مربوط به سرعت ، انرژی پتانسیل (Ep) با ارتفاع و انرژی داخلی (U) با حرکت مولکول های داخلی است. شکل 4 را ببینید.

گرما (Q):

انتقال انرژی گرمایی بین دو جسمی که در دماهای مختلف هستند. گرما با ژول ، BTU ، پوند فوت یا کالری اندازه گیری می شود.

دما (T):

این اندازه گیری انرژی جنبشی اتم ها یا مولکول های تشکیل دهنده هر جسم مادی است. درجه تحریک مولکولهای داخلی یک جسم ، انرژی گرمایی آن را اندازه گیری می کند. هرچه حرکت مولکول ها بیشتر باشد ، دما نیز بالاتر می رود. این درجه به درجه سانتیگراد ، درجه کلوین ، درجه رانکین یا درجه فارنهایت اندازه گیری می شود. در شکل 5 معادل سازی بین برخی مقیاس های دما ارائه شده است.

اصول ترمودینامیکی

مطالعه تحولات انرژی در ترمودینامیک براساس چهار قانون انجام شده است. قانون اول و دوم مربوط به کیفیت و کمیت انرژی است. در حالی که قانون سوم و چهارم مربوط به خصوصیات ترمودینامیکی (دما و آنتروپی) است. به شکل 6 و 7 مراجعه کنید.

قانون اول ترمودینامیک:

قانون اول اصل صرفه جویی در انرژی را تعیین می کند. انرژی می تواند از جسمی به جسم دیگر منتقل شود ، یا به شکل دیگری از انرژی تغییر یابد ، اما همیشه ذخیره می شود ، بنابراین مقدار کل انرژی همیشه ثابت است.

رمپ اسکیت نمونه خوبی از قانون صرفه جویی در انرژی است ، جایی که مشخص می شود انرژی ایجاد یا از بین نمی رود ، بلکه به نوع دیگری از انرژی تبدیل می شود. برای اسکیت باز مانند شکل 8 ، وقتی فقط نیروی گرانش تأثیر می گذارد ، ما مجبوریم:

• موقعیت 1: هنگامی که اسکیت باز در بالای سطح شیب دار است ، به دلیل ارتفاعی که دارد انرژی داخلی و انرژی بالقوه دارد ، اما از آنجا که در حرکت نیست انرژی جنبشی او صفر است (سرعت = 0 متر بر ثانیه).
• موقعیت 2: همانطور که اسکیت باز شروع به لغزش به سطح شیب دار می کند ، ارتفاع کاهش می یابد ، انرژی داخلی و انرژی پتانسیل کاهش می یابد ، اما از آنجا که سرعت او افزایش می یابد ، انرژی جنبشی او افزایش می یابد. انرژی به انرژی جنبشی تبدیل می شود. هنگامی که اسکیت باز به پایین ترین نقطه سطح شیب دار (موقعیت 2) می رسد ، انرژی بالقوه او صفر است (ارتفاع = 0 متر) ، در حالی که او در سفر خود از سطح شیب دار بیشترین سرعت را به دست می آورد.
• موقعیت 3: با بالا رفتن سطح شیب دار ، اسکیت باز سرعت خود را از دست می دهد ، انرژی جنبشی خود را کاهش می دهد ، اما با افزایش قد ، انرژی داخلی افزایش می یابد و انرژی پتانسیل افزایش می یابد.

قانون دوم ترمودینامیک:

قانون دوم مربوط به "کیفیت" انرژی در بهینه سازی تبدیل و / یا انتقال انرژی است. این قانون نشان می دهد که در فرآیندهای واقعی کیفیت انرژی تمایل به کاهش دارد. تعریف خاصیت ترمودینامیکی "آنتروپی" معرفی شده است. در بیانیه های قانون دوم ، زمانی مشخص می شود که فرایندی ممکن است اتفاق بیفتد و چه زمانی ممکن نیست ، حتی اگر قانون اول ادامه یابد. شکل 9 را ببینید.

قانون صفر:

قانون صفر بیان می کند که اگر دو سیستم در تعادل با یک سوم باشند با یکدیگر تعادل دارند. به عنوان مثال ، برای شکل 10 ، اگر A در تعادل گرمایی با C باشد ، و C در تعادل گرمایی با B باشد ، A در تعادل گرمایی با B است.

مفاهیم دیگر Tارمودینامیک

سیستم

بخشی از جهان که مورد توجه یا مطالعه است. برای فنجان قهوه در شکل 11 ، "سیستم" محتوای فنجان (قهوه) است که انتقال انرژی گرمایی را می توان در آن مطالعه کرد. شکل 12 را ببینید. [4]

محیط

این بقیه جهان خارج از سیستم مورد مطالعه است. در شکل 12 ، فنجان قهوه "حاشیه" در نظر گرفته شده است که حاوی قهوه (سیستم) است و آنچه خارج از فنجان (حاشیه) است ، "محیط" سیستم است.

تعادل ترمودینامیکی

حالتی که خصوصیات سیستم به خوبی مشخص شده و با گذشت زمان متفاوت نیستند. هنگامی که یک سیستم تعادل گرمایی ، تعادل مکانیکی و تعادل شیمیایی را ارائه می دهد ، در "تعادل ترمودینامیکی" قرار دارد. در تعادل ، یک سیستم نمی تواند حالت خود را تغییر دهد ، مگر اینکه عامل خارجی بر آن عمل کند. شکل 13 را ببینید.

پرداخته

نهادی که اجازه تعامل بین سیستم ها را می دهد یا از آنها جلوگیری می کند. اگر دیواره اجازه عبور ماده را بدهد ، گفته می شود که یک دیوار نفوذپذیر است. دیواره آدیاباتیک دیواری است که اجازه انتقال حرارت بین دو سیستم را نمی دهد. وقتی دیوار اجازه انتقال انرژی گرمایی را می دهد ، دیواره دیاترمی نامیده می شود. شکل 14 را ببینید.

نتیجه گیری

انرژی توانایی حرکت دادن ماده است. این را می توان با اصلاح وضعیت یا حالت آن تغییر شکل داد.

ترمودینامیک علمی است که مبادلات و تبدیل انرژی در فرآیندها را بررسی می کند. مطالعه تحولات انرژی در ترمودینامیک بر اساس چهار قانون انجام شده است. قانون اول و دوم مربوط به کیفیت و کمیت انرژی است. در حالی که قانون سوم و چهارم مربوط به خواص ترمودینامیکی (دما و آنتروپی) است.

دما معیاری برای درجه تحریک مولکولهای تشکیل دهنده یک جسم است ، در حالی که گرما انتقال انرژی گرمایی بین دو جسم است که در دماهای مختلف قرار دارند.

تعادل ترمودینامیکی زمانی وجود دارد که سیستم همزمان در تعادل گرمایی ، تعادل مکانیکی و تعادل شیمیایی باشد.

متشکرم توجه داشته باشید: برای توسعه این مقاله ما افتخار داشتن توصیه های Ing. Marisol Pino ، متخصص ابزار دقیق و کنترل صنعتی.