Termodynamikk, hva det er og dets applikasjoner

Termodynamikk er en vitenskap basert på studiet av energi. Termodynamiske prosesser forekommer daglig i hverdagen, i hjemmene, i industrien, med transformasjon av energi, for eksempel i klimaanlegg, kjøleskap, biler, kjeler, blant andre. Derav viktigheten av studiet av termodynamikk, basert på fire grunnleggende lover som etablerer forholdet mellom kvaliteten og kvantiteten på energi, og de termodynamiske egenskapene.

For å forstå lovene til termodynamikk, på en enkel måte, må man ta utgangspunkt i noen grunnleggende konsepter som er eksponert nedenfor, som blant annet energi, varme, temperatur.

Vi inviterer deg til å se artikkelen Kraften til Watts lov (applikasjoner - øvelser)

Termodynamikk

Litt historie:

Termodynamikk studerer utveksling og transformasjoner av energi i prosesser. Allerede på 1600-tallet begynte Galileo å utføre studier i dette området, med oppfinnelsen av glasstermometeret, og forholdet mellom tettheten til en væske og dens temperatur.

Med den industrielle revolusjonen blir det utført studier for å kjenne forholdet mellom varme, arbeid og energien til drivstoff, samt for å forbedre ytelsen til dampmotorer, nye termodynamikk som studievitenskap, med start i 1697 med Thomas Saverys dampmotor . Den første og andre loven om termodynamikk ble etablert i 1850. Mange forskere som Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, blant andre, bidro til utviklingen av denne vitenskapen, "Termodynamikk."

Hva er termodynamikk?

Termodynamikk er en vitenskap som studerer energitransformasjoner. Siden det opprinnelig ble studert hvordan man forvandler varme til kraft, i dampmotorer, ble de greske ordene "termos" og "dynamis" brukt for å kalle denne nye vitenskapen, og danne ordet "termodynamikk". Se figur 1.

Termodynamiske applikasjoner

Anvendelsesområdet for termodynamikk er veldig bredt. Transformasjonen av energi skjer i flere prosesser fra menneskekroppen, med fordøyelsen av mat, til mange industrielle prosesser for produksjon av produkter. I hjemmene er det også enheter der termodynamikk brukes på strykejern, varmtvannsberedere, klimaanlegg, blant andre. Prinsippene for termodynamikk brukes også i en rekke felt, for eksempel i kraftverk, biler og raketter. Se figur 2.

Grunnleggende om Termodynamikk

Energi (E)

Eiendom til ethvert materiale eller ikke-materielt legeme eller system som kan transformeres ved å endre situasjonen eller tilstanden. Det er også definert som potensialet eller evnen til å flytte materie. I figur 3 kan du se noen energikilder.

Energiformer

Energi kommer i mange former, som blant annet vind, elektrisk, mekanisk, kjernekraft. I studiet av termodynamikk brukes kinetisk energi, potensiell energi og indre energi til legemer. Den kinetiske energien (Ec) er relatert til hastigheten, den potensielle energien (Ep) med høyden og den indre energien (U) med bevegelsen til de indre molekylene. Se figur 4.

Varme (Q):

Overføring av termisk energi mellom to legemer som har forskjellige temperaturer. Varme måles i Joule, BTU, pund-føtter eller i kalorier.

Temperatur (T):

Det er et mål på den kinetiske energien til atomene eller molekylene som utgjør ethvert materielt objekt. Den måler graden av omrøring av de indre molekylene til et objekt, av dets termiske energi. Jo større bevegelse molekylene har, desto høyere temperatur. Den måles i grader Celsius, grader Kelvin, grader Rankine eller grader Fahrenheit. I figur 5 er ekvivalensen mellom noen temperaturskalaer presentert.

Termodynamiske prinsipper

Studiet av energitransformasjoner i termodynamikken er basert på fire lover. Den første og andre loven er relatert til energienes kvalitet og kvantitet; mens den tredje og fjerde loven er relatert til termodynamiske egenskaper (temperatur og entropi). Se figur 6 og 7.

Første lov om termodynamikk:

Den første loven etablerer prinsippet om bevaring av energi. Energi kan overføres fra en kropp til en annen, eller endres til en annen form for energi, men den er alltid bevart, så den totale energimengden forblir alltid konstant.

En skøyterampe er et godt eksempel på loven om bevaring av energi, hvor det er funnet at energi ikke blir skapt eller ødelagt, men blir transformert til en annen type energi. For en skøyter som den i figur 8, når bare gravitasjonskraften påvirker, må vi:

• Posisjon 1: Når skøyteløperen er på toppen av rampen, har han intern energi og potensiell energi på grunn av høyden han er i, men hans kinetiske energi er null siden han ikke er i bevegelse (hastighet = 0 m / s).
• Posisjon 2: Når skøyteløperen begynner å gli nedover rampen, synker høyden og reduserer den indre energien og den potensielle energien, men øker sin kinetiske energi når hastigheten øker. Energien transformeres til kinetisk energi. Når skøyteløperen når det laveste punktet på rampen (posisjon 2), er hans potensielle energi null (høyde = 0m), mens han får den høyeste hastigheten på sin reise ned rampen.
• Posisjon 3: Når rampen går opp, mister skøyteløperen hastighet og reduserer sin kinetiske energi, men den indre energien øker og den potensielle energien når han får høyde.

Andre lov om termodynamikk:

Den andre loven er relatert til "kvaliteten" på energi, i optimalisering av konvertering og / eller overføring av energi. Denne loven fastslår at i virkelige prosesser har energikvaliteten en tendens til å synke. Definisjonen av den termodynamiske egenskapen "entropi" er introdusert. I uttalelsene til den andre loven blir det slått fast når en prosess kan inntreffe og når den ikke kan, selv om den første loven fortsetter å bli oppfylt. Se figur 9.

Null lov:

Nulloven sier at hvis to systemer i likevekt med et tredje er i likevekt med hverandre. For eksempel, for figur 10, hvis A er i termisk likevekt med C, og C er i termisk likevekt med B, så er A i termisk likevekt med B.

Andre konsepter i Termodynamikk

system

En del av universet som er av interesse eller studie. For kaffekoppen i figur 11 er "systemet" innholdet i koppen (kaffe) der overføring av termisk energi kan studeres. Se figur 12. [4]

miljø

Det er resten av universet utenfor systemet som studeres. I figur 12 betraktes kaffekoppen som "grensen" som inneholder kaffen (systemet) og det som er utenfor koppen (grensen) er "miljøet" til systemet.

Termodynamisk likevekt

Tilstand der egenskapene til systemet er veldefinerte og ikke varierer over tid. Når et system presenterer termisk likevekt, mekanisk likevekt og kjemisk likevekt, er det i “termodynamisk likevekt”. I likevekt kan et system ikke endre tilstanden med mindre en ekstern agent virker på det. Se figur 13.

vegg

Enhet som tillater eller forhindrer interaksjoner mellom systemer. Hvis veggen tillater passering av stoff, sies det å være en gjennomtrengelig vegg. En adiabatisk vegg er en som ikke tillater varmeoverføring mellom to systemer. Når veggen tillater overføring av termisk energi, kalles det en diatermisk vegg. Se figur 14.

Konklusjoner

Energi er evnen til å flytte materie. Dette kan transformeres ved å endre situasjonen eller tilstanden.

Termodynamikk er en vitenskap som studerer utveksling og transformasjoner av energi i prosesser. Studiet av energitransformasjoner i termodynamikken er basert på fire lover. Den første og andre loven er relatert til energikvaliteten og kvantiteten; mens den tredje og fjerde loven er relatert til termodynamiske egenskaper (temperatur og entropi).

Temperatur er et mål på graden av omrøring av molekylene som utgjør en kropp, mens varme er overføring av termisk energi mellom to legemer som har forskjellige temperaturer.

Termodynamisk likevekt eksisterer når systemet samtidig er i termisk likevekt, mekanisk likevekt og kjemisk likevekt.

Tusen takk: For utviklingen av denne artikkelen har vi hatt æren av å ha råd fra Ing. Marisol Pino, spesialist i industriell instrumentering og kontroll.