열역학은 에너지 연구에 기초한 과학입니다. 열역학적 프로세스는 에어컨 장비, 냉장고, 자동차, 보일러 등과 같은 에너지 변환과 함께 일상 생활, 가정, 산업에서 매일 발생합니다. 따라서 에너지의 질과 양, 그리고 열역학적 특성 사이의 관계를 확립하는 네 가지 기본 법칙에 기초한 열역학 연구의 중요성이 있습니다.
열역학의 법칙을 쉽게 이해하려면 에너지, 열, 온도 등과 같은 아래에 노출된 몇 가지 기본 개념부터 시작해야 합니다.
기사를 보도록 초대합니다 와트 법칙의 힘 (응용 프로그램-연습 문제)
열역학
약간의 역사:
열역학은 과정에서 에너지의 교환과 변환을 연구합니다. 이미 1600년대에 갈릴레오는 유리 온도계의 발명과 유체의 밀도와 온도 간의 관계를 통해 이 분야에 대한 연구를 시작했습니다.
산업혁명과 함께 연료의 열, 일, 에너지의 관계를 규명하고 증기기관의 성능을 향상시키기 위한 연구가 진행되었고, 열역학은 1697년부터 Thomas Savery의 증기 엔진. 열역학 제1850법칙과 제XNUMX법칙은 XNUMX년에 제정되었습니다. Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell 등과 같은 많은 과학자들이 이 과학 "열역학"의 발전에 기여했습니다.
열역학이란 무엇입니까?
열역학은 에너지 변환을 연구하는 과학입니다. 처음에는 열을 동력으로 변환하는 방법을 연구한 이후로 증기 기관에서 그리스 단어 "thermos"와 "dynamis"가 이 새로운 과학의 이름을 지정하는 데 사용되어 "thermodynamics"라는 단어를 형성했습니다. 그림 1을 참조하십시오.
열역학의 응용
열역학의 적용 범위는 매우 넓습니다. 에너지 변환은 식품의 소화와 함께 인체에서 제품 생산을 위한 수많은 산업 공정에 이르기까지 여러 과정에서 발생합니다. 가정에는 다리미, 온수기, 에어컨 등에 열역학을 적용한 유물도 있습니다. 발전소, 자동차, 로켓 등 다양한 다른 분야에서도 열역학의 원리가 적용됩니다. 그림 2를 참조하십시오.
의 기초 열역학
에너지(E)
상황이나 상태를 수정하여 변형될 수 있는 모든 물질적 또는 비물질적 신체 또는 시스템의 속성입니다. 또한 물질을 이동시키는 잠재력 또는 능력으로 정의됩니다. 그림 3에서 일부 에너지원을 볼 수 있습니다.
에너지의 형태
에너지는 바람, 전기, 기계, 원자력 등과 같은 다양한 형태로 제공됩니다. 열역학 연구에서는 신체의 운동 에너지, 위치 에너지 및 내부 에너지가 사용됩니다. 운동 에너지(Ec)는 속도, 위치 에너지(Ep)는 높이, 내부 에너지(U)는 내부 분자의 움직임과 관련이 있습니다. 그림 4를 참조하십시오.
열기(Q):
온도가 다른 두 물체 사이의 열 에너지 전달. 열은 줄, BTU, 파운드 피트 또는 칼로리로 측정됩니다.
온도(T):
물체를 구성하는 원자나 분자의 운동 에너지를 측정한 것입니다. 그것은 물체의 내부 분자, 즉 열 에너지의 교반 정도를 측정합니다. 분자의 움직임이 클수록 온도가 높아집니다. 섭씨 온도, 켈빈 온도, 랭킨 온도 또는 화씨 온도로 측정됩니다. 그림 5는 일부 온도 눈금 사이의 동등성을 보여줍니다.
열역학 원리
열역학에서 에너지 변환에 대한 연구는 네 가지 법칙을 기반으로 합니다. 첫 번째와 두 번째 법칙은 에너지의 질과 양과 관련이 있습니다. 세 번째 및 네 번째 법칙은 열역학적 특성(온도 및 엔트로피)과 관련이 있습니다. 그림 6과 7을 참조하십시오.
열역학 제XNUMX법칙:
첫 번째 법칙은 에너지 보존의 원칙을 설정합니다. 에너지는 한 물체에서 다른 물체로 전달되거나 다른 형태의 에너지로 바뀔 수 있지만 항상 보존되므로 에너지 총량은 항상 일정합니다.
스케이트 램프는 에너지가 생성되거나 파괴되지 않고 다른 형태의 에너지로 변환됨을 증명하는 에너지 보존 법칙의 좋은 예입니다. 그림 8과 같은 스케이터의 경우 중력만 영향을 미칠 때 다음을 수행해야 합니다.
- 위치 1: 스케이터가 경사로 꼭대기에 있을 때 높이 때문에 내부 에너지와 위치 에너지가 있지만 움직이지 않기 때문에 운동 에너지는 0입니다(속도 = XNUMX m/s).
- 위치 2: 스케이터가 경사로를 미끄러지기 시작하면 높이가 감소하고 내부 에너지와 위치 에너지가 감소하지만 속도가 증가하므로 운동 에너지가 증가합니다. 에너지는 운동 에너지로 변환됩니다. 스케이터가 경사로의 가장 낮은 지점(위치 2)에 도달하면 그의 위치 에너지는 0(높이 = XNUMXm)인 반면 경사로를 오르는 여정에서 가장 빠른 속도를 얻습니다.
- 위치 3: 경사로가 올라가면 스케이터는 속도를 잃고 운동 에너지는 감소하지만 키가 커지므로 내부 에너지와 위치 에너지는 증가합니다.
열역학 제XNUMX법칙:
두 번째 법칙은 에너지 변환 및/또는 전송의 최적화에서 에너지의 "품질"과 관련이 있습니다. 이 법칙은 실제 프로세스에서 에너지 품질이 감소하는 경향이 있음을 입증합니다. 열역학적 특성 "엔트로피"의 정의가 도입되었습니다. 제9법칙의 진술에서는 제XNUMX법칙이 계속해서 충족되더라도 프로세스가 발생할 수 있는 시기와 그렇지 않은 시기가 설정됩니다. 그림 XNUMX를 참조하십시오.
제로 법칙:
제10법칙은 세 번째 시스템과 평형 상태에 있는 두 시스템이 서로 평형 상태에 있는 경우를 나타냅니다. 예를 들어, 그림 XNUMX의 경우 A가 C와 열평형 상태에 있고 C가 B와 열평형 상태에 있으면 A는 B와 열평형 상태에 있습니다.
T의 다른 개념인간 공학
체계
관심이나 연구 대상이 되는 우주의 일부. 그림 11의 커피 컵의 경우 "시스템"은 열 에너지 전달을 연구할 수 있는 컵(커피)의 내용물입니다. 그림 12 참조. [4]
환경
그것은 연구 중인 시스템 외부에 있는 우주의 나머지 부분입니다. 그림 12에서 커피 컵은 커피(시스템)를 포함하는 "경계"로 간주되고 컵 외부(경계)는 시스템의 "환경"으로 간주됩니다.
열역학적 평형
시스템의 속성이 잘 정의되어 있고 시간에 따라 변하지 않는 상태. 시스템이 열적 평형, 기계적 평형 및 화학적 평형을 나타내면 "열역학적 평형"에 있습니다. 평형 상태에서 시스템은 외부 에이전트에 의해 작동되지 않는 한 상태를 변경할 수 없습니다. 그림 13을 참조하십시오.
벽
시스템 간의 상호 작용을 허용하거나 방지하는 엔터티입니다. 벽이 물질의 통과를 허용하는 경우 투과성 벽이라고 합니다. 단열 벽은 두 시스템 사이의 열 전달을 허용하지 않는 벽입니다. 벽이 열 에너지 전달을 허용할 때 투열 벽이라고 합니다. 그림 14를 참조하십시오.
결론
에너지는 물질을 움직이는 능력입니다. 이는 상황이나 상태를 수정하여 변형할 수 있습니다.
열역학은 과정에서 에너지의 교환과 변환을 연구하는 과학입니다. 열역학에서 에너지 변환에 대한 연구는 네 가지 법칙을 기반으로 합니다. 첫 번째와 두 번째 법칙은 에너지의 질과 양과 관련이 있습니다. 세 번째 및 네 번째 법칙은 열역학적 특성(온도 및 엔트로피)과 관련이 있습니다.
온도는 물체를 구성하는 분자의 동요 정도를 나타내는 척도이며, 열은 온도가 다른 두 물체 사이에 열 에너지가 전달되는 것입니다.
열역학적 평형은 시스템이 열 평형, 기계적 평형 및 화학 평형에 동시에 있을 때 존재합니다.
감사의 말: 이 기사의 개발을 위해 우리는 Ing. Marisol Pino, 산업용 계측 및 제어 전문가.