Termodinamica este o știință bazată pe studiul energiei. Procesele termodinamice apar zilnic în viața de zi cu zi, în case, în industrie, odată cu transformarea energiei, precum în echipamentele de aer condiționat, frigidere, mașini, cazane, printre altele. De aici și importanța studiului termodinamicii, bazat pe patru legi de bază care stabilesc relațiile dintre calitatea și cantitatea de energie și proprietățile termodinamice.
Pentru a înțelege legile termodinamicii, într-un mod ușor, trebuie să plecăm de la câteva concepte de bază expuse mai jos, cum ar fi energia, căldura, temperatura, printre altele.
Vă invităm să vedeți articolul Puterea legii lui Watt (Aplicații - Exerciții)
Termodinamica
Un pic de istorie:
Termodinamica studiază schimburile și transformările energiei în procese. Deja în anii 1600 Galileo a început să efectueze studii în acest domeniu, cu invenția termometrului de sticlă și relația densității unui fluid și a temperaturii acestuia.
Odată cu revoluția industrială, se efectuează studii pentru a cunoaște relațiile dintre căldură, muncă și energia combustibililor, precum și pentru a îmbunătăți performanța motoarelor cu abur, apărând termodinamica ca știință de studiu, începând din 1697 cu motorul cu aburi Thomas Savery . Prima și a doua lege a termodinamicii au fost stabilite în 1850. Mulți oameni de știință precum Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, printre alții, au contribuit la dezvoltarea acestei științe, „Termodinamica”.
Ce este termodinamica?
Termodinamica este o știință care studiază transformările energetice. Întrucât inițial s-a studiat modul de transformare a căldurii în putere, în motoarele cu aburi, cuvintele grecești „termos” și „dynamis” au fost folosite pentru a denumi această nouă știință, formând cuvântul „termodinamică”. Vezi figura 1.
Aplicații termodinamice
Domeniul de aplicare al termodinamicii este foarte larg. Transformarea energiei are loc în multiple procese de la corpul uman, odată cu digestia alimentelor, la numeroase procese industriale pentru producția de produse. În case există, de asemenea, dispozitive în care termodinamica se aplică pe fier, încălzitoare de apă, aparate de aer condiționat, printre altele. Principiile termodinamicii sunt, de asemenea, aplicate într-o mare varietate de alte domenii, cum ar fi centralele electrice, automobile și rachete. Vezi figura 2.
Bazele Termodinamica
Energie (E)
Proprietatea oricărui corp sau sistem material sau nematerial care poate fi transformat prin modificarea situației sau stării sale. Este, de asemenea, definit ca potențialul sau capacitatea de a muta materia. În figura 3 puteți vedea câteva surse de energie.
Forme de energie
Energia vine sub multe forme, cum ar fi energia eoliană, electrică, mecanică, nucleară, printre altele. În studiul termodinamicii, se utilizează energia cinetică, energia potențială și energia internă a corpurilor. Energia cinetică (Ec) este legată de viteză, energia potențială (Ep) cu înălțimea și energia internă (U) cu mișcarea moleculelor interne. Vezi figura 4.
Căldură (Q):
Transfer de energie termică între două corpuri care se află la temperaturi diferite. Căldura se măsoară în Joule, BTU, lire-picioare sau în calorii.
Temperatura (T):
Este o măsură a energiei cinetice a atomilor sau moleculelor care alcătuiesc orice obiect material. Măsoară gradul de agitație al moleculelor interne ale unui obiect, al energiei sale termice. Cu cât mișcarea moleculelor este mai mare, cu atât este mai mare temperatura. Se măsoară în grade Celsius, grade Kelvin, grade Rankine sau grade Fahrenheit. În figura 5 este prezentată echivalența dintre unele scale de temperatură.
Principii termodinamice
Studiul transformărilor energetice în termodinamică se bazează pe patru legi. Prima și a doua lege sunt legate de calitatea și cantitatea de energie; în timp ce legile a treia și a patra sunt legate de proprietățile termodinamice (temperatura și entropia). Vezi figurile 6 și 7.
Prima lege a termodinamicii:
Prima lege stabilește principiul conservării energiei. Energia poate fi transferată de la un corp la altul sau schimbată într-o altă formă de energie, dar este întotdeauna conservată, astfel încât cantitatea totală de energie rămâne întotdeauna constantă.
O rampă de patinaj este un bun exemplu al Legii conservării energiei, unde se constată că energia nu este creată sau distrusă, ci este transformată într-un alt tip de energie. Pentru un patinator ca cel din figura 8, când influențează doar forța gravitațională, trebuie să:
- Poziția 1: Când patinatorul se află în partea de sus a rampei, are energie internă și energie potențială datorită înălțimii la care se află, dar energia sa cinetică este zero, deoarece nu este în mișcare (viteza = 0 m / s).
- Poziția 2: Pe măsură ce patinatorul începe să alunece pe rampă, înălțimea scade, scăzând energia internă și energia potențială, dar crescându-i energia cinetică, pe măsură ce viteza lui crește. Energia este transformată în energie cinetică. Când patinatorul atinge punctul cel mai de jos al rampei (poziția 2), energia sa potențială este zero (înălțime = 0m), în timp ce dobândește cea mai mare viteză în călătoria sa pe rampă.
- Poziția 3: Pe măsură ce rampa urcă, patinatorul pierde viteza, scăzându-și energia cinetică, dar energia internă crește și energia potențială, pe măsură ce câștigă înălțime.
A doua lege a termodinamicii:
A doua lege este legată de „calitatea” energiei, în optimizarea conversiei și / sau transmiterii energiei. Această lege stabilește că în procesele reale calitatea energiei tinde să scadă. Este introdusă definiția proprietății termodinamice „entropie”. În declarațiile celei de-a doua legi, se stabilește când poate apărea un proces și când nu, chiar dacă prima lege continuă să fie respectată. Vezi figura 9.
Legea zero:
Legea zero afirmă că dacă două sisteme în echilibru cu un al treilea sunt în echilibru între ele. De exemplu, pentru Figura 10, dacă A este în echilibru termic cu C, iar C este în echilibru termic cu B, atunci A este în echilibru termic cu B.
Alte concepte ale Termodinamica
Sistem
O parte din univers care prezintă interes sau studiu. Pentru ceașca de cafea din Figura 11, „sistemul” este conținutul ceștii (cafea) în care poate fi studiat transferul de energie termică. A se vedea figura 12. [4]
Mediu inconjurator
Este restul universului extern sistemului studiat. În Figura 12, ceașca de cafea este considerată „chenarul” care conține cafeaua (sistemul), iar ceea ce se află în afara cupei (chenarul) este „mediul” sistemului.
Echilibrul termodinamic
Stare în care proprietățile sistemului sunt bine definite și nu variază în timp. Când un sistem prezintă echilibru termic, echilibru mecanic și echilibru chimic, acesta se află în „echilibru termodinamic”. În echilibru, un sistem nu își poate modifica starea decât dacă un agent extern acționează asupra lui. Vezi figura 13.
Perete
Entitate care permite sau previne interacțiunile dintre sisteme. Dacă peretele permite trecerea substanței, se spune că este un perete permeabil. Un perete adiabatic este unul care nu permite transferul de căldură între două sisteme. Atunci când peretele permite transferul de energie termică se numește perete diatermic. Vezi figura 14.
Concluzii
Energia este capacitatea de a muta materia. Acest lucru poate fi transformat prin modificarea situației sau stării sale.
Termodinamica este o știință care studiază schimburile și transformările energiei în procese. Studiul transformărilor energetice în termodinamică se bazează pe patru legi. Prima și a doua lege sunt legate de calitatea și cantitatea de energie; în timp ce legile a treia și a patra sunt legate de proprietățile termodinamice (temperatura și entropia).
Temperatura este o măsură a gradului de agitație a moleculelor care alcătuiesc un corp, în timp ce căldura este transferul de energie termică între doi corpuri care se află la temperaturi diferite.
Echilibrul termodinamic există atunci când sistemul se află simultan în echilibru termic, echilibru mecanic și echilibru chimic.
Notă de mulțumire: Pentru dezvoltarea acestui articol am avut onoarea de a primi sfatul Ing. Marisol Pino, specialist în instrumentare și control industrial.