חשמל בסיסיטכנולוגיה

תרמודינמיקה, מה זה והיישומים שלה

תרמודינמיקה היא מדע המבוסס על חקר האנרגיה. תהליכים תרמודינמיים מתרחשים מדי יום בחיי היומיום, בבתים, בתעשייה, עם הפיכת האנרגיה, כגון בציוד מיזוג אוויר, מקררים, מכוניות, דוודים, בין היתר. מכאן חשיבות חקר התרמודינמיקה, המבוססת על ארבעה חוקים בסיסיים הקובעים את הקשר בין איכות וכמות האנרגיה לבין התכונות התרמודינמיות.

כדי להבין את חוקי התרמודינמיקה, בצורה קלה, צריך להתחיל מכמה מושגים בסיסיים שנחשפים למטה, כמו אנרגיה, חום, טמפרטורה, בין היתר.

אנו מזמינים אתכם לראות את המאמר כוחו של חוק וואט (יישומים - תרגילים)

כוח המאמר של חוק וואט (יישומים - תרגילים)
citeia.com

תֶרמוֹדִינָמִיקָה

קצת היסטוריה:

התרמודינמיקה חוקרת את חילופי האנרגיה והתמורות בתהליכים. כבר בשנות ה 1600- החל גלילאו לבצע מחקרים בתחום זה, עם המצאת מדחום הזכוכית, והקשר של צפיפות הנוזל וטמפרטורתו.

עם המהפכה התעשייתית, נערכים מחקרים על מנת לדעת את הקשרים בין חום, עבודה ואנרגיה של דלקים, כמו גם כדי לשפר את הביצועים במנועי קיטור, מה שהופך את התרמודינמיקה כמדע מדעי, משנת 1697 עם מנוע הקיטור של תומאס סאברי. החוקים הראשונים והשניים של התרמודינמיקה הוקמו בשנת 1850. מדענים רבים כמו ג'ול, קלווין, קלוזיוס, בולצמן, קרנוט, קלפיירון, גיבס, מקסוול, בין היתר, תרמו לפיתוח מדע זה, "תרמודינמיקה".

מהי תרמודינמיקה?

תרמודינמיקה היא מדע החוקר טרנספורמציות אנרגיה. מאז בתחילה נחקר כיצד להפוך את החום לכוח, במנועי קיטור, המלים היווניות "תרמוס" ו"דינמיס "שימשו לשם המדע החדש הזה, ויצרו את המילה" תרמודינמיקה ". ראה איור 1.

מקור המילה תרמודינמיקה
citeia.com (איור 1)

יישומים תרמודינמיים

תחום היישום של התרמודינמיקה הוא רחב מאוד. הפיכת האנרגיה מתרחשת במספר תהליכים מגוף האדם, עם עיכול המזון, אפילו בתהליכים תעשייתיים רבים לייצור מוצרים. בבתים ישנם גם מכשירים בהם מוחלים תרמודינמיקה על מגהצים, מחממי מים, מזגנים, בין היתר. עקרונות התרמודינמיקה מיושמים גם במגוון רחב של תחומים, כמו בתחנות כוח, מכוניות ורקטות. ראה איור 2.

כמה שימושים בתרמודינמיקה
citeia.com (איור 2)

יסודות תֶרמוֹדִינָמִיקָה

אנרגיה (E)

רכוש של כל גוף או מערכת מהותיים או לא מהותיים הניתנים לשינוי על ידי שינוי מצבו או מצבו. זה מוגדר גם כפוטנציאל או יכולת להזיז חומר. באיור 3 ניתן לראות כמה מקורות אנרגיה.

מקורות אנרגיה
citeia.com (איור 3)

צורות אנרגיה

אנרגיה מגיעה בצורות רבות, כגון אנרגיה רוח, חשמלית, מכנית, גרעינית. במחקר התרמודינמיקה משתמשים באנרגיה קינטית, אנרגיה פוטנציאלית ואנרגיה פנימית של גופים. האנרגיה הקינטית (Ec) קשורה למהירות, האנרגיה הפוטנציאלית (Ep) עם הגובה והאנרגיה הפנימית (U) עם תנועת המולקולות הפנימיות. ראה איור 4.

אנרגיה קינטית, פוטנציאלית ופנימית בתרמודינמיקה.
citeia.com (איור 4)

חום (ש '):

העברת אנרגיה תרמית בין שני גופים הנמצאים בטמפרטורות שונות. החום נמדד בג'ול, BTU, קילו רגליים או בקלוריות.

טמפרטורה (T):

זהו מדד לאנרגיה הקינטית של האטומים או המולקולות המרכיבים כל אובייקט חומרי. הוא מודד את מידת התסיסה של המולקולות הפנימיות של אובייקט, של האנרגיה התרמית שלו. ככל שתנועת המולקולות גדולה יותר, כך הטמפרטורה גבוהה יותר. הוא נמדד במעלות צלזיוס, במעלות קלווין, במעלות רנקין או במעלות פרנהייט. באיור 5 מוצגת השקילות בין כמה מאזני הטמפרטורה.

כמה השוואות ומאזני טמפרטורה.
citeia.com (איור 5)

עקרונות תרמודינמיים

המחקר של טרנספורמציות אנרגיה בתרמודינמיקה מבוסס על ארבעה חוקים. החוקים הראשונים והשניים קשורים לאיכות וכמות האנרגיה; ואילו החוק השלישי והרביעי קשורים לתכונות תרמודינמיות (טמפרטורה ואנטרופיה). ראה איורים 6 ו -7.

חוקים הקשורים לאנרגיה בתרמודינמיקה.
citeia.com (איור 6)

החוק הראשון של התרמודינמיקה:

החוק הראשון קובע את עיקרון החיסכון באנרגיה. ניתן להעביר אנרגיה מגוף אחד לאחר, או לשנות אותה לצורה אחרת של אנרגיה, אך היא נשמרת תמיד, כך שכמות האנרגיה הכוללת תמיד נשארת קבועה.

חוקים הקשורים לתכונות תרמודינמיות
citeia.com (איור 7)

רמפת החלקה היא דוגמה טובה לחוק שימור האנרגיה, שם נמצא כי אנרגיה לא נוצרת או נהרסת, אלא הופכת לסוג אחר של אנרגיה. עבור מחליק כמו זה שבאיור 8, כאשר רק כוח הכבידה משפיע, עלינו:

  • עמדה 1: כאשר המחליק נמצא בראש הרמפה, יש לו אנרגיה פנימית ואנרגיה פוטנציאלית עקב הגובה שהוא נמצא בו, אך האנרגיה הקינטית שלו היא אפס מכיוון שהוא אינו בתנועה (מהירות = 0 מ '/ ש').
  • עמדה 2: כאשר המחליק מתחיל להחליק במורד הרמפה, הגובה יורד, מקטין את האנרגיה הפנימית ואת האנרגיה הפוטנציאלית, אך מגדיל את האנרגיה הקינטית שלו, ככל שמהירותו עולה. האנרגיה הופכת לאנרגיה קינטית. כאשר המחליק מגיע לנקודה הנמוכה ביותר של הרמפה (מיקום 2), האנרגיה הפוטנציאלית שלו היא אפס (גובה = 0 מ '), בעוד שהוא רוכש את המהירות הגבוהה ביותר במסעו במורד הרמפה.
  • עמדה 3: כאשר הרמפה עולה, המחליק מאבד מהירות, מקטין את האנרגיה הקינטית שלו, אך האנרגיה הפנימית עולה, והאנרגיה הפוטנציאלית, ככל שהוא צובר גובה.
שימור אנרגיה בתרמודינמיקה.
citeia.com (איור 8)

החוק השני של התרמודינמיקה:

החוק השני קשור ל"איכות "האנרגיה, באופטימיזציה של המרה ו / או העברת אנרגיה. חוק זה קובע כי בתהליכים אמיתיים איכות האנרגיה נוטה לרדת. מוגדרת ההגדרה של המאפיין התרמודינמי "אנטרופיה". בהצהרות החוק השני נקבע מתי יכול להתרחש תהליך ומתי הוא לא יכול, גם אם החוק הראשון ממשיך להיות מקיים. ראה איור 9.

תחושת העברת חום.
citeia.com (איור 9)

חוק אפס:

חוק האפס קובע שאם שתי מערכות בשיווי משקל עם שליש הן נמצאות בשיווי משקל זו בזו. לדוגמה, עבור איור 10, אם A נמצא בשיווי משקל תרמי עם C, ו- C נמצא בשיווי משקל תרמי עם B, אז A נמצא בשיווי משקל תרמי עם B.

חוק אפס של תרמודינמיקה
citeia.com (איור 10)

מושגים אחרים של ה- Tארמודינמיקה

מערכת

חלק מהיקום שמעניין או נחקר. עבור כוס הקפה באיור 11, "המערכת" היא תוכן הכוס (קפה) בו ניתן ללמוד את העברת האנרגיה התרמית. ראה איור 12. [4]

מערכת, גבול וסביבה של מערכת תרמודינמית.
citeia.com (איור 11)

סביבה

זהו שאר היקום החיצוני למערכת הנחקרת. באיור 12 כוס הקפה נחשבת ל"גבול "המכיל את הקפה (מערכת) ומה שנמצא מחוץ לכוס (גבול) הוא ה"סביבה" של המערכת.

מערכת תרמודינמית המסבירה שיווי משקל תרמודינמי.
citeia.com (איור 12)

שיווי משקל תרמודינמי

מצב בו מאפייני המערכת מוגדרים היטב ואינם משתנים לאורך זמן. כאשר מערכת מציגה שיווי משקל תרמי, שיווי משקל מכני ושיווי משקל כימי, היא נמצאת ב"שיווי משקל תרמודינמי ". בשיווי משקל, מערכת אינה יכולה לשנות את מצבה אלא אם כן גורם חיצוני פועל עליה. ראה איור 13.

שיווי משקל תרמודינמי
citeia.com (איור 13)

קיר

ישות המאפשרת או מונעת אינטראקציות בין מערכות. אם הקיר מאפשר מעבר של חומר, נאמר שהוא קיר חדיר. קיר אדיאבטי הוא קיר שלא מאפשר העברת חום בין שתי מערכות. כאשר הקיר מאפשר העברת אנרגיה תרמית הוא נקרא קיר דיאתרמי. ראה איור 14.

קיר של מערכת תרמודינמית
citeia.com (14 תאנים)

מסקנות

אנרגיה היא היכולת להזיז חומר. ניתן לשנות זאת באמצעות שינוי מצבו או מצבו.

תרמודינמיקה היא מדע החוקר את חילופי האנרגיה והתמורות בתהליכים. המחקר של טרנספורמציות אנרגיה בתרמודינמיקה מבוסס על ארבעה חוקים. החוקים הראשונים והשניים קשורים לאיכות וכמות האנרגיה; ואילו החוק השלישי והרביעי קשורים לתכונות תרמודינמיות (טמפרטורה ואנטרופיה).

טמפרטורה היא מדד למידת התסיסה של המולקולות המרכיבות גוף, ואילו חום הוא העברת אנרגיה תרמית בין שני גופים הנמצאים בטמפרטורות שונות.

שיווי משקל תרמודינמי קיים כאשר המערכת נמצאת במקביל בשיווי משקל תרמי, שיווי משקל מכני ושיווי משקל כימי.

הערת תודה: לפיתוח מאמר זה היה לנו הכבוד לקבל את עצתו של אינג 'מריסול פינו, מומחה במכשור ובקרה תעשייתית.