Basis elektriciteittechnologie

Thermodynamica, wat het is en zijn toepassingen

Thermodynamica is een wetenschap gebaseerd op de studie van energie. Thermodynamische processen vinden dagelijks plaats in het dagelijks leven, in huizen, in de industrie, met de transformatie van energie, zoals in airconditioningapparatuur, koelkasten, auto's, boilers, onder anderen. Vandaar het belang van de studie van de thermodynamica, gebaseerd op vier basiswetten die de relatie leggen tussen de kwaliteit en kwantiteit van energie, en de thermodynamische eigenschappen.

Om de wetten van de thermodynamica op een gemakkelijke manier te begrijpen, moet men uitgaan van enkele basisconcepten die hieronder worden uiteengezet, zoals energie, warmte, temperatuur, onder andere.

We nodigen je uit om het artikel te zien De kracht van de wet van Watt (toepassingen - oefeningen)

De kracht van de wet van Watt (Toepassingen - Oefeningen) artikelomslag
citeia. com

Thermodynamica

Een beetje geschiedenis:

Thermodynamica bestudeert de uitwisselingen en transformaties van energie in processen. Al in de jaren 1600 begon Galileo met het uitvoeren van studies op dit gebied, met de uitvinding van de glazen thermometer, en de relatie tussen de dichtheid van een vloeistof en zijn temperatuur.

Met de industriële revolutie worden studies uitgevoerd om de relaties tussen warmte, werk en de energie van brandstoffen te kennen, en om de prestaties van stoommachines te verbeteren, de opkomende thermodynamica als studiewetenschap, vanaf 1697 met de stoommachine van Thomas Savery. De eerste en tweede wet van de thermodynamica werden vastgesteld in 1850. Veel wetenschappers zoals Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, onder anderen, droegen bij aan de ontwikkeling van deze wetenschap, 'thermodynamica'.

Wat is thermodynamica?

Thermodynamica is een wetenschap die energietransformaties bestudeert. Aangezien aanvankelijk werd bestudeerd hoe warmte in kracht kon worden omgezet, werden in stoommachines de Griekse woorden "thermos" en "dynamis" gebruikt om deze nieuwe wetenschap te noemen, waardoor het woord "thermodynamica" werd gevormd. Zie figuur 1.

Oorsprong van het woord thermodynamica
citeia.com (figuur 1)

Thermodynamische toepassingen

Het toepassingsgebied van de thermodynamica is erg breed. De omzetting van energie vindt plaats in meerdere processen, van het menselijk lichaam, met de vertering van voedsel, tot tal van industriële processen voor de productie van producten. In woningen zijn er ook apparaten waar thermodynamica wordt toegepast op onder andere strijkijzers, boilers, airconditioners. De principes van thermodynamica worden ook op een groot aantal verschillende gebieden toegepast, zoals in energiecentrales, auto's en raketten. Zie figuur 2.

Enkele toepassingen van thermodynamica
citeia.com (figuur 2)

Basisprincipes van Thermodynamica

Energie (E)

Eigendom van een materieel of niet-materieel lichaam of systeem dat kan worden getransformeerd door de situatie of toestand ervan te wijzigen. Het wordt ook gedefinieerd als het potentieel of vermogen om materie te verplaatsen. In figuur 3 zie je enkele energiebronnen.

Energiebronnen
citeia.com (figuur 3)

Vormen van energie

Energie komt in vele vormen voor, zoals onder meer wind, elektrische, mechanische en kernenergie. Bij de studie van thermodynamica worden kinetische energie, potentiële energie en interne energie van lichamen gebruikt. De kinetische energie (Ec) is gerelateerd aan de snelheid, de potentiële energie (Ep) met de hoogte en de interne energie (U) met de beweging van de interne moleculen. Zie figuur 4.

Kinetische, potentiële en interne energie in thermodynamica.
citeia.com (figuur 4)

Warmte (Q):

Overdracht van thermische energie tussen twee lichamen met verschillende temperaturen. Warmte wordt gemeten in joule, BTU, pond-voet of in calorieën.

Temperatuur (T):

Het is een maat voor de kinetische energie van de atomen of moleculen waaruit een materieel object bestaat. Het meet de mate van beweging van de interne moleculen van een object, van zijn thermische energie. Hoe groter de beweging van de moleculen, hoe hoger de temperatuur. Het wordt gemeten in graden Celsius, graden Kelvin, graden Rankine of graden Fahrenheit. In figuur 5 wordt de gelijkwaardigheid tussen enkele temperatuurschalen weergegeven.

Enkele vergelijkingen en temperatuurschalen.
citeia.com (figuur 5)

Thermodynamische principes

De studie van energietransformaties in de thermodynamica is gebaseerd op vier wetten. De eerste en tweede wet hebben betrekking op de kwaliteit en kwantiteit van energie; terwijl de derde en vierde wet verband houden met thermodynamische eigenschappen (temperatuur en entropie). Zie afbeeldingen 6 en 7.

Wetten met betrekking tot energie in de thermodynamica.
citeia.com (figuur 6)

Eerste wet van de thermodynamica:

De eerste wet legt het principe van energiebesparing vast. Energie kan van het ene lichaam naar het andere worden overgebracht, of worden veranderd in een andere vorm van energie, maar het wordt altijd behouden, zodat de totale hoeveelheid energie altijd constant blijft.

Wetten met betrekking tot thermodynamische eigenschappen
citeia.com (figuur 7)

Een schaatshelling is een goed voorbeeld van de wet van behoud van energie, waarbij wordt vastgesteld dat energie niet wordt gecreëerd of vernietigd, maar wordt omgezet in een ander type energie. Voor een schaatser zoals die in figuur 8, als alleen de zwaartekracht beïnvloedt, moeten we:

  • Positie 1: Wanneer de schaatser zich bovenaan de helling bevindt, heeft hij interne energie en potentiële energie vanwege de hoogte waarop hij zich bevindt, maar zijn kinetische energie is nul omdat hij niet in beweging is (snelheid = 0 m / s).
  • Positie 2: Als de schaatser van de helling begint af te glijden, neemt de hoogte af, waardoor de interne energie en de potentiële energie afnemen, maar zijn kinetische energie toeneemt naarmate zijn snelheid toeneemt. De energie wordt omgezet in kinetische energie. Wanneer de schaatser het laagste punt van de helling bereikt (positie 2), is zijn potentiële energie nul (hoogte = 0m), terwijl hij de hoogste snelheid behaalt tijdens zijn reis langs de helling.
  • Positie 3: Naarmate de helling omhoog gaat, verliest de schaatser snelheid, waardoor zijn kinetische energie afneemt, maar de interne energie neemt toe en de potentiële energie naarmate hij hoger wordt.
Behoud van energie in thermodynamica.
citeia.com (figuur 8)

Tweede wet van de thermodynamica:

De tweede wet heeft betrekking op de "kwaliteit" van energie, bij het optimaliseren van de omzetting en / of transmissie van energie. Deze wet stelt vast dat in echte processen de kwaliteit van energie de neiging heeft af te nemen. De definitie van de thermodynamische eigenschap "entropie" wordt geïntroduceerd. In de uitspraken van de tweede wet wordt vastgelegd wanneer een proces kan plaatsvinden en wanneer niet, zelfs als de eerste wet nog steeds wordt nageleefd. Zie figuur 9.

Gevoel van warmteoverdracht.
citeia.com (figuur 9)

Nul wet:

De nulwet stelt dat als twee systemen in evenwicht zijn met een derde, ze in evenwicht zijn met elkaar. Bijvoorbeeld, voor figuur 10, als A in thermisch evenwicht is met C en C in thermisch evenwicht met B, dan is A in thermisch evenwicht met B.

Geen wet van thermodynamica
citeia.com (figuur 10)

Andere concepten van de Termodynamica

Systeem

Een deel van het universum dat van belang of studie is. Voor de kop koffie in figuur 11 is het "systeem" de inhoud van de kop (koffie) waar de overdracht van thermische energie kan worden bestudeerd. Zie figuur 12. [4]

Systeem, grens en omgeving van een thermodynamisch systeem.
citeia.com (figuur 11)

milieu

Het is de rest van het universum buiten het bestudeerde systeem. In figuur 12 wordt de koffiekop beschouwd als de "rand" die de koffie bevat (systeem) en wat zich buiten de beker (rand) bevindt, is de "omgeving" van het systeem.

Thermodynamisch systeem dat thermodynamisch evenwicht verklaart.
citeia.com (figuur 12)

Thermodynamisch evenwicht

Staat waarin de eigenschappen van het systeem goed gedefinieerd zijn en niet in de tijd variëren. Wanneer een systeem thermisch evenwicht, mechanisch evenwicht en chemisch evenwicht vertoont, is het in "thermodynamisch evenwicht". In evenwicht kan een systeem zijn toestand niet wijzigen tenzij een externe agent erop inwerkt. Zie figuur 13.

Thermodynamisch evenwicht
citeia.com (figuur 13)

wand

Entiteit die interacties tussen systemen mogelijk maakt of voorkomt. Als de muur de doorgang van substantie toelaat, wordt er gezegd dat het een doorlatende muur is. Een adiabatische wand is er een die geen warmteoverdracht tussen twee systemen mogelijk maakt. Wanneer de muur de overdracht van thermische energie mogelijk maakt, wordt dit een diathermische muur genoemd. Zie figuur 14.

Muur van een thermodynamisch systeem
citeia.com (14 vijgen)

Conclusies

Energie is het vermogen om materie te verplaatsen. Dit kan worden getransformeerd door de situatie of toestand te wijzigen.

Thermodynamica is een wetenschap die de uitwisselingen en transformaties van energie in processen bestudeert. De studie van energietransformaties in de thermodynamica is gebaseerd op vier wetten. De eerste en tweede wet hebben betrekking op de kwaliteit en kwantiteit van energie; terwijl de derde en vierde wet verband houden met thermodynamische eigenschappen (temperatuur en entropie).

Temperatuur is een maat voor de mate van agitatie van de moleculen waaruit een lichaam bestaat, terwijl warmte de overdracht is van thermische energie tussen twee lichamen met verschillende temperaturen.

Thermodynamisch evenwicht bestaat wanneer het systeem gelijktijdig in thermisch evenwicht, mechanisch evenwicht en chemisch evenwicht is.

Bedankbriefje: Voor de ontwikkeling van dit artikel hebben we de eer gehad het advies van de Ing. Marisol Pino, specialist in industriële instrumentatie en besturing.