Termodinamika, što je to i njegove primjene

Termodinamika je znanost koja se temelji na proučavanju energije. Termodinamički procesi događaju se svakodnevno u svakodnevnom životu, u domovima, u industriji, uz transformaciju energije, poput klima uređaja, hladnjaka, automobila, kotlova, između ostalog. Otuda i važnost proučavanja termodinamike, koja se temelji na četiri osnovna zakona koja uspostavljaju odnos između kvalitete i količine energije i termodinamičkih svojstava.

Da bismo na jednostavan način razumjeli zakone termodinamike, potrebno je poći od nekih osnovnih pojmova koji su izloženi u nastavku, poput energije, topline, temperature, između ostalih.

Pozivamo vas da pogledate članak Snaga Watovog zakona (Primjene - vježbe)

Termodinamika

Malo povijesti:

Termodinamika proučava razmjene i transformacije energije u procesima. Već u 1600-ima Galileo je počeo provoditi studije na ovom području, izumom staklenog termometra i odnosom gustoće fluida i njegove temperature.

Industrijskom revolucijom provode se studije kako bi se upoznali odnosi između topline, rada i energije goriva, kao i kako bi se poboljšale performanse parnih strojeva, a termodinamika je nastala kao studijska znanost, od 1697. godine s parnim strojem Thomas Savery. Prvi i drugi zakon termodinamike uspostavljeni su 1850. Mnogi znanstvenici poput Joulea, Kelvina, Clausiusa, Boltzmanna, Carnota, Clapeyrona, Gibbsa, Maxwella, među ostalim, pridonijeli su razvoju ove znanosti, "Termodinamika".

Što je termodinamika?

Termodinamika je znanost koja proučava energetske transformacije. Budući da je u početku proučavano kako transformirati toplinu u snagu, u parnim strojevima grčke riječi "termos" i "dinamis" korištene su za imenovanje ove nove znanosti, čineći riječ "termodinamika". Pogledajte sliku 1.

Termodinamičke primjene

Područje primjene termodinamike vrlo je široko. Transformacija energije događa se u više procesa iz ljudskog tijela, uz probavu hrane, u brojne industrijske procese za proizvodnju proizvoda. U domovima postoje i uređaji gdje se termodinamika, među ostalim, primjenjuje na glačala, bojlere, klima uređaje. Principi termodinamike također se primjenjuju u širokom spektru područja, poput elektrana, automobila i raketa. Pogledajte sliku 2.

Osnove Termodinamika

Energija (E)

Svojstvo bilo kojeg materijalnog ili nematerijalnog tijela ili sustava koje se može transformirati mijenjanjem njegove situacije ili stanja. Također se definira kao potencijal ili sposobnost kretanja materije. Na slici 3 možete vidjeti neke izvore energije.

Oblici energije

Energija dolazi u mnogim oblicima, kao što su vjetar, električna, mehanička, nuklearna energija, između ostalog. U proučavanju termodinamike koristi se kinetička energija, potencijalna energija i unutarnja energija tijela. Kinetička energija (Ec) povezana je s brzinom, potencijalnom energijom (Ep) s visinom i unutarnjom energijom (U) s kretanjem unutarnjih molekula. Pogledajte sliku 4.

Toplina (Q):

Prijenos toplinske energije između dva tijela koja su na različitim temperaturama. Toplina se mjeri u džulima, BTU, kilogramima ili kalorijama.

Temperatura (T):

To je mjera kinetičke energije atoma ili molekula koje čine bilo koji materijalni objekt. Mjeri stupanj agitacije unutarnjih molekula predmeta, njegove toplinske energije. Što je veće kretanje molekula, to je temperatura viša. Mjeri se u stupnjevima Celzijusa, stupnjevima Kelvina, stupnjevima Rankinea ili stupnjevima Fahrenheita. Na slici 5. prikazana je ekvivalencija između nekih temperaturnih ljestvica.

Termodinamički principi

Proučavanje energetskih transformacija u termodinamici temelji se na četiri zakona. Prvi i drugi zakon povezani su s kvalitetom i količinom energije; dok su treći i četvrti zakon povezani s termodinamičkim svojstvima (temperatura i entropija). Pogledajte slike 6 i 7.

Prvi zakon termodinamike:

Prvi zakon uspostavlja načelo očuvanja energije. Energija se može prenijeti iz jednog tijela u drugo ili promijeniti u drugi oblik energije, ali se uvijek čuva, pa ukupna količina energije uvijek ostaje konstantna.

Klizačka rampa dobar je primjer Zakona o očuvanju energije, gdje se utvrđuje da se energija ne stvara ili uništava, već se transformira u drugu vrstu energije. Za klizačice poput one na slici 8, kada utječe samo gravitacijska sila, moramo:

• Pozicija 1: Kada je klizač na vrhu rampe, on ima unutarnju energiju i potencijalnu energiju zbog visine na kojoj je, ali njegova kinetička energija je nula jer nije u pokretu (brzina = 0 m / s).
• Pozicija 2: Kako klizač počne kliziti niz rampu, visina se smanjuje, smanjujući unutarnju i potencijalnu energiju, ali povećavajući njegovu kinetičku energiju, kako se njegova brzina povećava. Energija se pretvara u kinetičku. Kad klizač dosegne najnižu točku rampe (položaj 2), njegova potencijalna energija je nula (visina = 0 m), dok on postiže najveću brzinu u svom putu niz rampu.
• Pozicija 3: Kako rampa ide prema gore, klizač gubi brzinu, smanjujući svoju kinetičku energiju, ali unutarnja energija raste, a potencijalna energija, kako dobiva visinu.

Drugi zakon termodinamike:

Drugi se zakon odnosi na "kvalitetu" energije, u optimizaciji pretvorbe i / ili prijenosa energije. Ovim se zakonom utvrđuje da se u stvarnim procesima kvaliteta energije nastoji smanjiti. Uvedena je definicija termodinamičkog svojstva "entropija". U izjavama drugog zakona utvrđuje se kada se postupak može dogoditi, a kada ne može, čak i ako se prvi zakon i dalje poštuje. Pogledajte sliku 9.

Nulti zakon:

Nulti zakon kaže da su dva sustava u ravnoteži s trećim u međusobnoj ravnoteži. Na primjer, za sliku 10, ako je A u toplinskoj ravnoteži s C, a C u toplinskoj ravnoteži s B, tada je A u toplinskoj ravnoteži s B.

Ostali koncepti T.ermodinamika

Sistem

Dio svemira koji zanima ili proučava. Za šalicu kave na slici 11. "sustav" je sadržaj šalice (kave) u kojoj se može proučavati prijenos toplinske energije. Vidi sliku 12. [4]

Okoliš

To je ostatak svemira izvan sustava koji se proučava. Na slici 12. šalica za kavu smatra se "granicom" koja sadrži kavu (sustav), a ono što je izvan šalice (obrub) je "okruženje" sustava.

Termodinamička ravnoteža

Stanje u kojem su svojstva sustava dobro definirana i ne mijenjaju se tijekom vremena. Kada sustav predstavlja toplinsku, mehaničku i kemijsku ravnotežu, on je u „termodinamičkoj ravnoteži“. U ravnoteži, sustav ne može modificirati svoje stanje ukoliko vanjski agent ne djeluje na njega. Pogledajte sliku 13.

zid

Subjekt koji dopušta ili sprječava interakciju između sustava. Ako zid dopušta prolaz tvari, kaže se da je to propusni zid. Adijabatski zid je onaj koji ne dopušta prijenos topline između dva sustava. Kada zid dopušta prijenos toplinske energije, naziva se dijatermijskim zidom. Pogledajte sliku 14.

Zaključci

Energija je sposobnost kretanja materije. To se može transformirati modificiranjem njegove situacije ili stanja.

Termodinamika je znanost koja proučava razmjene i transformacije energije u procesima. Proučavanje energetskih transformacija u termodinamici temelji se na četiri zakona. Prvi i drugi zakon povezani su s kvalitetom i količinom energije; dok su treći i četvrti zakon povezani s termodinamičkim svojstvima (temperatura i entropija).

Temperatura je mjera stupnja agitacije molekula koje čine tijelo, dok je toplina prijenos toplinske energije između dva tijela koja su na različitim temperaturama.

Termodinamička ravnoteža postoji kada je sustav istovremeno u toplinskoj ravnoteži, mehaničkoj ravnoteži i kemijskoj ravnoteži.

Zahvalnica: Za razvoj ovog članka imali smo čast imati savjet od Ing. Marisol Pino, specijalist za industrijske instrumentacije i upravljanje.