基本電気テクノロジー

熱力学、それが何であるか、そしてその応用

熱力学は、エネルギーの研究に基づく科学です。 熱力学的プロセスは、日常生活、家庭、産業で日常的に発生し、空調設備、冷蔵庫、自動車、ボイラーなどのエネルギーの変換を伴います。 したがって、エネルギーの質と量、および熱力学的特性の間の関係を確立するXNUMXつの基本法則に基づく、熱力学の研究の重要性。

熱力学の法則を簡単に理解するには、エネルギー、熱、温度など、以下に示すいくつかの基本的な概念から始める必要があります。

記事をご覧ください ワットの法則の力(アプリケーション-演習)

ワットの法則の力(アプリケーション-演習)の記事の表紙
citeia.com

熱力学

少し歴史:

熱力学は、プロセスにおけるエネルギーの交換と変換を研究します。 すでに1600年代に、ガリレオはガラス温度計の発明、および流体の密度とその温度の関係を用いて、この分野で研究を開始しました。

産業革命に伴い、熱、仕事、燃料のエネルギーの関係を知るための研究が行われ、1697年からトーマス・セイヴァリーの蒸気機関で熱力学が研究科学として浮上し、蒸気機関の性能が向上しました。 熱力学の第1850法則と第XNUMX法則は、XNUMX年に確立されました。ジュール、ケルビン、クラウジウス、ボルツマン、カルノー、クラペイロン、ギブス、マクスウェルなどの多くの科学者が、この科学「熱力学」の発展に貢献しました。

熱力学とは何ですか?

熱力学は、エネルギー変換を研究する科学です。 当初から熱を動力に変換する方法が研究されていたため、蒸気エンジンでは、ギリシャ語の「thermos」と「dynamis」がこの新しい科学の名前に使用され、「thermodynamics」という単語が形成されました。 図1を参照してください。

熱力学の言葉の由来
citeia.com(図1)

熱力学的アプリケーション

熱力学の応用分野は非常に広いです。 エネルギーの変換は、食物の消化を伴う人体から、製品を製造するための多くの工業プロセスまで、複数のプロセスで発生します。 家庭では、熱力学がアイロン、給湯器、エアコンなどに適用されるデバイスもあります。 熱力学の法則は、発電所、自動車、ロケットなど、さまざまな分野にも適用されています。 図2を参照してください。

熱力学のいくつかの用途
citeia.com(図2)

の基本 熱力学

エネルギー(E)

状況または状態を変更することによって変換できる、マテリアルまたは非マテリアルのボディまたはシステムのプロパティ。 それはまた、物質を動かす可能性または能力として定義されます。 図3では、いくつかのエネルギー源を見ることができます。

エネルギー源
citeia.com(図3)

エネルギーの形態

エネルギーには、風力、電気、機械、原子力など、さまざまな形があります。 熱力学の研究では、運動エネルギー、位置エネルギー、および物体の内部エネルギーが使用されます。 運動エネルギー(Ec)は速度に関係し、位置エネルギー(Ep)は高さに関係し、内部エネルギー(U)は内部分子の動きに関係します。 図4を参照してください。

熱力学における運動エネルギー、位置エネルギー、内部エネルギー。
citeia.com(図4)

熱(Q):

異なる温度にあるXNUMXつの物体間の熱エネルギーの伝達。 熱は、ジュール、BTU、ポンドフィート、またはカロリーで測定されます。

温度(T):

これは、任意の物体を構成する原子または分子の運動エネルギーの尺度です。 これは、物体の内部分子の熱エネルギーの攪拌の程度を測定します。 分子の動きが大きいほど、温度は高くなります。 摂氏、ケルビン、ランキン、華氏で測定されます。 図5に、いくつかの温度スケール間の同等性を示します。

いくつかの比較と温度スケール。
citeia.com(図5)

熱力学的原理

熱力学におけるエネルギー変換の研究は、6つの法則に基づいています。 第7法則と第XNUMX法則は、エネルギーの質と量に関連しています。 一方、XNUMX番目とXNUMX番目の法則は、熱力学的特性(温度とエントロピー)に関連しています。 図XNUMXおよびXNUMXを参照してください。

熱力学におけるエネルギーに関連する法則。
citeia.com(図6)

熱力学の第一法則:

最初の法則は、エネルギー保存の法則を確立します。 エネルギーは、ある物体から別の物体に移動したり、別の形のエネルギーに変更したりできますが、常に保存されているため、エネルギーの総量は常に一定に保たれます。

熱力学特性に関連する法則
citeia.com(図7)

スケートランプは、エネルギー保存の法則の良い例です。ここでは、エネルギーは生成または破壊されませんが、別の種類のエネルギーに変換されます。 図8のようなスケーターの場合、重力のみが影響する場合、次のことを行う必要があります。

  • 位置1: スケーターがランプの一番上にいるとき、彼は彼がいる高さのために内部エネルギーと位置エネルギーを持っていますが、彼は動いていないので彼の運動エネルギーはゼロです(速度= 0 m / s)。
  • 位置2: スケーターがランプを滑り降り始めると、高さが減少し、内部エネルギーと位置エネルギーが減少しますが、速度が上がるため、運動エネルギーが増加します。 エネルギーは運動エネルギーに変換されます。 スケーターがランプの最低点(位置2)に到達すると、位置エネルギーはゼロ(高さ= 0m)になり、ランプを下る旅で最高速度を獲得します。
  • 位置3: ランプが上がると、スケーターは速度を失い、運動エネルギーが減少しますが、身長が上がると、内部エネルギーと位置エネルギーが増加します。
熱力学におけるエネルギー保存。
citeia.com(図8)

熱力学の第二法則:

9番目の法則は、エネルギーの変換および/または伝達の最適化におけるエネルギーの「品質」に関連しています。 この法則は、実際のプロセスではエネルギーの質が低下する傾向があることを確立しています。 熱力学的特性「エントロピー」の定義を紹介します。 第XNUMX法則のステートメントでは、第XNUMX法則が引き続き遵守されている場合でも、プロセスが発生する可能性がある場合と発生しない場合に確立されます。 図XNUMXを参照してください。

熱伝達の方向。
citeia.com(図9)

ゼロ法則:

ゼロ法則は、10つのシステムがXNUMX番目のシステムと平衡状態にある場合、それらは互いに平衡状態にあると述べています。 たとえば、図XNUMXの場合、AがCと熱平衡にあり、CがBと熱平衡にある場合、AはBと熱平衡にあります。

熱力学のゼロ法則
citeia.com(図10)

Tの他の概念エルモダイナミクス

システム

興味や研究の対象となる宇宙の一部。 図11のコーヒーカップの場合、「システム」とは、熱エネルギーの伝達を調べることができるカップ(コーヒー)の内容です。 図12を参照してください。[4]

熱力学系の系、境界、環境。
citeia.com(図11)

周り

それは、研究中のシステムの外部にある宇宙の残りの部分です。 図12では、コーヒーカップはコーヒー(システム)を含む「境界」と見なされ、カップの外側(境界)はシステムの「環境」です。

熱力学的平衡を説明する熱力学系。
citeia.com(図12)

熱力学的平衡

システムのプロパティが明確に定義されており、時間の経過とともに変化しない状態。 システムが熱平衡、機械平衡、および化学平衡を示す場合、システムは「熱力学的平衡」にあります。 平衡状態では、外部エージェントがシステムに作用しない限り、システムはその状態を変更できません。 図13を参照してください。

熱力学的平衡
citeia.com(図13)

システム間の相互作用を許可または防止するエンティティ。 壁が物質の通過を許可する場合、それは透過性の壁であると言われます。 断熱壁は、14つのシステム間の熱伝達を許可しない壁です。 壁が熱エネルギーの伝達を可能にするとき、それは断熱壁と呼ばれます。 図XNUMXを参照してください。

熱力学システムの壁
citeia.com(14図)

結論

エネルギーは物質を動かす能力です。 これは、その状況または状態を変更することによって変換できます。

熱力学は、プロセスにおけるエネルギーの交換と変換を研究する科学です。 熱力学におけるエネルギー変換の研究は、XNUMXつの法則に基づいています。 第XNUMX法則と第XNUMX法則は、エネルギーの質と量に関連しています。 一方、XNUMX番目とXNUMX番目の法則は、熱力学的特性(温度とエントロピー)に関連しています。

温度は、物体を構成する分子の攪拌の程度の尺度であり、熱は、異なる温度にあるXNUMXつの物体間の熱エネルギーの伝達です。

熱力学的平衡は、システムが同時に熱平衡、機械的平衡、および化学平衡にあるときに存在します。

礼状: この記事の開発のために、私たちはアドバイスを得ることができて光栄です Ing。MarisolPino、産業用計装および制御のスペシャリスト.