Termodynamika, czym jest i jej zastosowania

Termodynamika to nauka oparta na badaniu energii. Procesy termodynamiczne zachodzą codziennie w życiu codziennym, w domach, w przemyśle, przy przemianach energii, m.in. w urządzeniach klimatyzacyjnych, lodówkach, samochodach, kotłach. Stąd tak ważne jest badanie termodynamiki, oparte na czterech podstawowych prawach, które ustalają związki między jakością i ilością energii oraz właściwościami termodynamicznymi.

Aby w łatwy sposób zrozumieć prawa termodynamiki, należy zacząć od kilku podstawowych pojęć, które są pokazane poniżej, takich jak między innymi energia, ciepło, temperatura.

Zapraszamy do zapoznania się z artykułem Siła prawa Watta (aplikacje - ćwiczenia)

Termodynamika

Trochę de Historia:

Termodynamika bada wymianę i przemiany energii w procesach. Już w XVII wieku Galileo zaczął prowadzić badania w tej dziedzinie, wraz z wynalezieniem szklanego termometru i zależnością między gęstością płynu a jego temperaturą.

Wraz z rewolucją przemysłową prowadzone są badania mające na celu poznanie zależności między ciepłem, pracą i energią paliw, a także poprawę osiągów silników parowych, wyłaniając termodynamikę jako naukę badawczą, począwszy od 1697 roku z maszyną parową Thomasa Savery'ego. . Pierwsza i druga zasada termodynamiki została ustalona w 1850 roku. Wielu naukowców, takich jak między innymi Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, przyczyniło się do rozwoju tej nauki „Termodynamika”.

Co to jest termodynamika?

Termodynamika to nauka zajmująca się badaniem przemian energii. Ponieważ początkowo badano, jak przekształcać ciepło w energię, w silnikach parowych greckie słowa „termos” i „dynamis” były używane do nazwania tej nowej nauki, tworząc słowo „termodynamika”. Zobacz rysunek 1.

Zastosowania termodynamiczne

Obszar zastosowań termodynamiki jest bardzo szeroki. Przemiana energii zachodzi w wielu procesach zachodzących w organizmie człowieka, wraz z trawieniem pożywienia, a nawet w licznych procesach przemysłowych służących do wytwarzania produktów. W domach znajdują się również urządzenia, w których termodynamika jest stosowana między innymi w żelazkach, podgrzewaczach wody, klimatyzatorach. Zasady termodynamiki są również stosowane w wielu różnych dziedzinach, takich jak elektrownie, samochody i rakiety. Zobacz rysunek 2.

Podstawy Termodynamika

Energia (E)

Własność dowolnego materialnego lub niematerialnego ciała lub systemu, który można przekształcić, modyfikując jego sytuację lub stan. Jest również definiowany jako potencjał lub zdolność do poruszania materii. Na rysunku 3 można zobaczyć niektóre źródła energii.

Formy energii

Energia występuje w wielu formach, takich jak między innymi energia wiatrowa, elektryczna, mechaniczna, jądrowa. W badaniach termodynamiki wykorzystuje się energię kinetyczną, energię potencjalną i energię wewnętrzną ciał. Energia kinetyczna (Ec) jest związana z prędkością, energia potencjalna (Ep) z wysokością, a energia wewnętrzna (U) z ruchem cząsteczek wewnętrznych. Patrz rysunek 4.

Ciepło (Q):

Transfer energii cieplnej między dwoma ciałami o różnych temperaturach. Ciepło mierzone jest w dżulach, BTU, funtostopach lub kaloriach.

Temperatura (T):

Jest miarą energii kinetycznej atomów lub cząsteczek tworzących dowolny obiekt materialny. Mierzy stopień pobudzenia wewnętrznych cząsteczek obiektu, jego energii cieplnej. Im większy ruch cząsteczek, tym wyższa temperatura. Jest mierzony w stopniach Celsjusza, Kelvina, Rankine'a lub Fahrenheita. Na rysunku 5 przedstawiono równoważność między niektórymi skalami temperatur.

Zasady termodynamiczne

Badanie przemian energii w termodynamice opiera się na czterech prawach. Pierwsze i drugie prawo odnoszą się do jakości i ilości energii; podczas gdy trzecia i czwarta zasada są związane z właściwościami termodynamicznymi (temperatura i entropia). Patrz rysunki 6 i 7.

Pierwsza zasada termodynamiki:

Pierwsze prawo ustanawia zasadę zachowania energii. Energię można przenosić z jednego ciała do drugiego lub zmieniać na inną formę energii, ale jest ona zawsze zachowana, więc całkowita ilość energii zawsze pozostaje stała.

Rampa do jazdy na łyżwach jest dobrym przykładem prawa zachowania energii, w którym stwierdza się, że energia nie jest tworzona ani niszczona, ale jest przekształcana w inny rodzaj energii. W przypadku łyżwiarza takiego jak ten na rysunku 8, gdy oddziałuje tylko siła grawitacji, musimy:

• Pozycja 1: Kiedy rolkarz jest na szczycie rampy, ma energię wewnętrzną i energię potencjalną ze względu na wysokość, na której się znajduje, ale jego energia kinetyczna wynosi zero, ponieważ nie jest w ruchu (prędkość = 0 m / s).
• Pozycja 2: Gdy łyżwiarz zaczyna zjeżdżać po rampie, wysokość maleje, zmniejszając energię wewnętrzną i energię potencjalną, ale zwiększając jego energię kinetyczną, ponieważ zwiększa się jego prędkość. Energia jest przekształcana w energię kinetyczną. Kiedy rolkarz osiągnie najniższy punkt rampy (pozycja 2), jego energia potencjalna wynosi zero (wysokość = 0 m), podczas gdy osiąga największą prędkość podczas zjazdu po rampie.
• Pozycja 3: Gdy rampa idzie w górę, łyżwiarz traci prędkość, zmniejszając swoją energię kinetyczną, ale energia wewnętrzna wzrasta, a energia potencjalna, gdy zyskuje na wysokości.

Druga zasada termodynamiki:

Drugie prawo odnosi się do „jakości” energii przy optymalizacji konwersji i / lub przesyłu energii. Prawo to stwierdza, że ​​w rzeczywistych procesach jakość energii ma tendencję do obniżania się. Wprowadzono definicję właściwości termodynamicznej „entropii”. W postanowieniach drugiej ustawy określa się, kiedy proces może wystąpić, a kiedy nie, nawet jeśli nadal przestrzega się pierwszego prawa. Patrz rysunek 9.

Prawo zerowe:

Prawo zera mówi, że jeśli dwa układy są w równowadze z jedną trzecią, to są ze sobą w równowadze. Na przykład na rysunku 10, jeśli A jest w równowadze termicznej z C, a C jest w równowadze termicznej z B, to A jest w równowadze termicznej z B.

Inne koncepcje Termodynamika

System

Część wszechświata, która jest przedmiotem zainteresowania lub badań. W przypadku filiżanki kawy na Figurze 11 „układ” to zawartość filiżanki (kawy), w której można badać przenoszenie energii cieplnej. Patrz rysunek 12. [4]

Środowisko

Jest to reszta wszechświata poza badanym systemem. Na fig. 12 filiżankę kawy uważa się za „granicę”, która zawiera kawę (układ), a to, co znajduje się na zewnątrz filiżanki (obramowanie), jest „otoczeniem” układu.

Równowaga termodynamiczna

Stan, w którym właściwości systemu są dobrze zdefiniowane i nie zmieniają się w czasie. Kiedy układ wykazuje równowagę termiczną, równowagę mechaniczną i równowagę chemiczną, jest w „równowadze termodynamicznej”. W stanie równowagi system nie może modyfikować swojego stanu, chyba że działa na niego czynnik zewnętrzny. Patrz rysunek 13.

Ściana

Jednostka, która umożliwia lub zapobiega interakcjom między systemami. Jeśli ściana umożliwia przejście substancji, mówi się, że jest ścianą przepuszczalną. Ściana adiabatyczna to taka, która nie pozwala na przenoszenie ciepła między dwoma systemami. Gdy ściana umożliwia przenoszenie energii cieplnej, nazywana jest ścianą diatermiczną. Patrz rysunek 14.

Wnioski

Energia to zdolność do poruszania materii. Można to zmienić, modyfikując jego sytuację lub stan.

Termodynamika to nauka zajmująca się badaniem wymiany i przemian energii w procesach. Badanie przemian energii w termodynamice opiera się na czterech prawach. Pierwsze i drugie prawo odnoszą się do jakości i ilości energii; podczas gdy trzecia i czwarta zasada są związane z właściwościami termodynamicznymi (temperatura i entropia).

Temperatura jest miarą stopnia wzburzenia cząsteczek tworzących ciało, podczas gdy ciepło to transfer energii cieplnej między dwoma ciałami o różnych temperaturach.

Równowaga termodynamiczna istnieje, gdy układ znajduje się jednocześnie w równowadze termicznej, równowadze mechanicznej i równowadze chemicznej.

Podziękowanie: Przy opracowywaniu tego artykułu mieliśmy zaszczyt uzyskać poradę od Ing. Marisol Pino, specjalista w zakresie oprzyrządowania i sterowania przemysłowego.