Termodynamiikka on tiede, joka perustuu energian tutkimiseen. Termodynaamisia prosesseja tapahtuu päivittäin jokapäiväisessä elämässä, kodeissa, teollisuudessa energian muuttuessa, kuten muun muassa ilmastointilaitteissa, jääkaapeissa, autoissa, kattiloissa. Tästä seuraa termodynamiikan tutkimuksen merkitys, joka perustuu neljään peruslakiin, jotka vahvistavat energian laadun ja määrän sekä termodynaamisten ominaisuuksien väliset suhteet.
Termodynamiikan lakien ymmärtämiseksi on helppo lähteä joistakin alapuolella olevista peruskäsitteistä, kuten energia, lämpö, lämpötila.
Kutsumme sinut tutustumaan artikkeliin Watin lain voima (sovellukset - harjoitukset)
Termodynamiikka
Hieman historiaa:
Termodynamiikka tutkii energian vaihtoa ja muutosta prosesseissa. Jo 1600-luvulla Galileo alkoi suorittaa tutkimuksia tällä alueella keksimällä lasilämpömittari sekä nesteen tiheyden ja lämpötilan suhde.
Teollisen vallankumouksen myötä tutkitaan lämmön, työn ja polttoaineiden energian välisten suhteiden tuntemista sekä höyrykoneiden suorituskyvyn parantamista, nousevaa termodynamiikkaa tutkimuksena, joka aloitettiin vuonna 1697 Thomas Saveryn höyrykoneella . Ensimmäinen ja toinen termodynamiikan laki vahvistettiin vuonna 1850. Monet tutkijat, kuten Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, mm., Myötävaikuttivat tämän tieteen "termodynamiikka" kehitykseen.
Mikä on termodynamiikka?
Termodynamiikka on tiede, joka tutkii energianmuutoksia. Koska alun perin tutkittiin lämmön muuntamista voimaksi, höyrykoneissa tämän uuden tieteen nimeämiseen käytettiin kreikkalaisia sanoja "termos" ja "dynamis", muodostaen sanan "termodynamiikka". Katso kuva 1.
Termodynaamiset sovellukset
Termodynamiikan käyttöalue on hyvin laaja. Energian muutos tapahtuu useissa prosesseissa ihmiskehosta ruoan pilkkomisen myötä lukuisiin teollisiin prosesseihin tuotteiden tuottamiseksi. Kotona on myös laitteita, joissa termodynamiikkaa käytetään mm. Silitysraudoille, vedenlämmittimille, ilmastointilaitteille. Termodynamiikan periaatteita sovelletaan myös monilla aloilla, kuten voimalaitoksissa, autoissa ja raketeissa. Katso kuva 2.
Perustiedot Termodynamiikka
Energia (E)
Minkä tahansa aineellisen tai ei-aineellisen elimen tai järjestelmän ominaisuus, joka voidaan muuttaa muuttamalla sen tilannetta tai tilaa. Se määritellään myös potentiaalina tai kykynä siirtää ainetta. Kuvassa 3 on joitain energialähteitä.
Energian muodot
Energiaa tulee monessa muodossa, kuten tuuli, sähkö, mekaaninen, ydinvoima. Termodynamiikan tutkimuksessa käytetään kineettistä energiaa, potentiaalienergiaa ja kappaleiden sisäistä energiaa. Kineettinen energia (Ec) liittyy nopeuteen, potentiaalienergiaan (Ep) korkeuden kanssa ja sisäiseen energiaan (U) sisäisten molekyylien liikkumiseen. Katso kuva 4.
Lämpö (Q):
Lämpöenergian siirto kahden eri lämpötilassa olevan ruumiin välillä. Lämpö mitataan jouleina, BTU: na, punta-jalkoina tai kaloreina.
Lämpötila (T):
Se on minkä tahansa aineellisen objektin muodostavien atomien tai molekyylien kineettisen energian mitta. Se mittaa kohteen sisäisten molekyylien, sen lämpöenergian sekoitusastetta. Mitä suurempi molekyylien liike, sitä korkeampi lämpötila on. Se mitataan Celsius-asteina, Kelvin-asteina, Rankine-asteina tai Fahrenheit-asteina. Kuvassa 5 on esitetty joidenkin lämpötila-asteikoiden välinen vastaavuus.
Termodynaamiset periaatteet
Termodynamiikan energiamuutosten tutkimus perustuu neljään lakiin. Ensimmäinen ja toinen laki liittyvät energian laatuun ja määrään; kun taas kolmas ja neljäs laki liittyvät termodynaamisiin ominaisuuksiin (lämpötila ja entropia). Katso kuvat 6 ja 7.
Ensimmäinen termodynamiikan laki:
Ensimmäisessä laissa vahvistetaan energian säästämisen periaate. Energiaa voidaan siirtää kehosta toiseen tai muuttaa toiseen energiamuotoon, mutta se on aina säilynyt, joten energian kokonaismäärä pysyy aina vakiona.
Luisteluramppi on hyvä esimerkki energiansäästölaista, jossa havaitaan, että energiaa ei luoda tai tuhota, vaan se muuttuu toisen tyyppiseksi energiaksi. Kuvan 8 kaltaiselle luistelijalle, kun vain painovoima vaikuttaa, meidän on:
- Asento 1: Kun luistelija on rampin huipulla, hänellä on sisäistä energiaa ja potentiaalienergiaa korkeudestaan johtuen, mutta hänen kineettinen energiansa on nolla, koska hän ei ole liikkeessä (nopeus = 0 m / s).
- Asento 2: Kun luistelija alkaa liukua ramppia pitkin, korkeus pienenee, mikä vähentää sisäistä energiaa ja potentiaalienergiaa, mutta lisää kineettistä energiaansa, koska nopeus kasvaa. Energia muuttuu kineettiseksi energiaksi. Kun luistelija saavuttaa rampin alimman pisteen (asento 2), potentiaalienergia on nolla (korkeus = 0m), kun hän saavuttaa suurimman nopeuden matkan aikana ramppia pitkin.
- Asento 3: Rampin noustessa luistelija menettää nopeutensa, mikä vähentää kineettistä energiaansa, mutta sisäinen energia kasvaa ja potentiaalinen energia, kun hän saavuttaa korkeuden.
Termodynamiikan toinen laki:
Toinen laki liittyy energian "laatuun" energian muuntamisen ja / tai siirron optimointiin. Tämä laki vahvistaa, että todellisissa prosesseissa energian laadulla on taipumus laskea. Termodynaamisen ominaisuuden "entropia" määritelmä otetaan käyttöön. Toisen lain lausunnoissa todetaan, milloin prosessi voi tapahtua ja milloin ei, vaikka ensimmäistä lakia noudatettaisiin edelleen. Katso kuva 9.
Nolla laki:
Nollalaki toteaa, että jos kaksi tasapainossa olevaa järjestelmää kolmannen kanssa ovat tasapainossa keskenään. Esimerkiksi kuviossa 10, jos A on termisessä tasapainossa C: n kanssa ja C on termisessä tasapainossa B: n kanssa, niin A on termisessä tasapainossa B: n kanssa.
Muut T: n käsitteetermodynamiikka
Järjestelmä
Osa maailmankaikkeutta, joka on kiinnostava tai tutkittava. Kuvan 11 mukaisen kahvikupin "järjestelmä" on kupin (kahvin) sisältö, jossa lämpöenergian siirtoa voidaan tutkia. Katso kuva 12. [4]
Ympäristö
Se on muu universumi tutkittavan järjestelmän ulkopuolella. Kuvassa 12 kahvikuppia pidetään "reunana", joka sisältää kahvin (järjestelmä), ja kupin (reunan) ulkopuolella oleva on järjestelmän "ympäristö".
Termodynaaminen tasapaino
Tila, jossa järjestelmän ominaisuudet ovat hyvin määriteltyjä eivätkä vaihtele ajan myötä. Kun järjestelmässä on terminen tasapaino, mekaaninen tasapaino ja kemiallinen tasapaino, se on "termodynaamisessa tasapainossa". Tasapainossa järjestelmä ei voi muuttaa tilaansa, ellei siihen toimi ulkopuolinen agentti. Katso kuva 13.
seinä
Entiteetti, joka sallii tai estää vuorovaikutuksen järjestelmien välillä. Jos seinä sallii aineen kulkeutumisen, sen sanotaan olevan läpäisevä seinä. Adiabaattinen seinä ei salli lämmönsiirtoa kahden järjestelmän välillä. Kun seinä sallii lämpöenergian siirron, sitä kutsutaan diatermiseksi seinäksi. Katso kuva 14.
Päätelmät
Energia on kyky siirtää ainetta. Tämä voidaan muuttaa muuttamalla sen tilannetta tai tilaa.
Termodynamiikka on tiede, joka tutkii energian vaihtoa ja muutosta prosesseissa. Termodynamiikan energiamuutosten tutkimus perustuu neljään lakiin. Ensimmäinen ja toinen laki liittyvät energian laatuun ja määrään; kun taas kolmas ja neljäs laki liittyvät termodynaamisiin ominaisuuksiin (lämpötila ja entropia).
Lämpötila on kehon muodostavien molekyylien sekoitusasteen mitta, kun taas lämpö on lämpöenergian siirtyminen kahden eri lämpötilassa olevan ruumiin välillä.
Termodynaaminen tasapaino on olemassa, kun järjestelmä on samanaikaisesti lämpötasapainossa, mekaanisessa tasapainossa ja kemiallisessa tasapainossa.
Kiitos: Tämän artikkelin kehittämisessä meillä on ollut kunnia saada neuvoja Ing. Marisol Pino, teollisen instrumentoinnin ja ohjauksen asiantuntija.