Термодинамика, что это такое и ее применение

Термодинамика - это наука, основанная на изучении энергии. Термодинамические процессы происходят ежедневно в повседневной жизни, в домах, на производстве, с преобразованием энергии, например, в оборудовании для кондиционирования воздуха, холодильниках, автомобилях, котлах и т. Д. Отсюда важность изучения термодинамики, основанной на четырех основных законах, которые устанавливают отношения между качеством и количеством энергии, а также термодинамическими свойствами.

Чтобы легко понять законы термодинамики, нужно начать с некоторых основных понятий, которые изложены ниже, таких как энергия, тепло, температура и другие.

Приглашаем к просмотру статьи Закон мощности Ватта (Приложения - Упражнения)

Термодинамика

Немного истории:

Термодинамика изучает обмены и преобразования энергии в процессах. Уже в 1600-х годах Галилей начал проводить исследования в этой области с изобретением стеклянного термометра и зависимости плотности жидкости от ее температуры.

С индустриальной революцией проводятся исследования, чтобы узнать взаимосвязь между теплом, работой и энергией топлива, а также улучшить производительность паровых двигателей, что с 1697 года с помощью паровой машины Томаса Савери превратилось в науку о термодинамике. Первый и второй законы термодинамики были установлены в 1850 году. Многие ученые, такие как Джоуль, Кельвин, Клаузиус, Больцман, Карно, Клапейрон, Гиббс, Максвелл и другие, внесли свой вклад в развитие этой науки, «термодинамики».

Что такое термодинамика?

Термодинамика - это наука, изучающая превращения энергии. Поскольку изначально изучали, как преобразовывать тепло в энергию, в паровых двигателях греческие слова «термос» и «динамис» были использованы для названия этой новой науки, образовав слово «термодинамика». См. Рисунок 1.

Термодинамические приложения

Область применения термодинамики очень широка. Преобразование энергии происходит во многих процессах человеческого тела, при переваривании пищи, даже в многочисленных промышленных процессах производства продуктов. В домах также есть устройства, в которых термодинамика применяется к утюгу, водонагревателям, кондиционерам и т. Д. Принципы термодинамики также применяются в самых разных областях, таких как электростанции, автомобили и ракеты. См. Рисунок 2.

Основы Термодинамика

Энергия (E)

Свойство любого материального или нематериального тела или системы, которое можно преобразовать, изменив его положение или состояние. Это также определяется как способность или способность перемещать материю. На рисунке 3 вы можете увидеть некоторые источники энергии.

Формы энергии

Энергия бывает разных форм, в том числе ветровой, электрической, механической, ядерной. При изучении термодинамики используются кинетическая энергия, потенциальная энергия и внутренняя энергия тел. Кинетическая энергия (Ec) связана со скоростью, потенциальная энергия (Ep) связана с высотой, а внутренняя энергия (U) - с движением внутренних молекул. См. Рисунок 4.

Тепло (Q):

Передача тепловой энергии между двумя телами, находящимися при разных температурах. Теплота измеряется в Джоулях, БТЕ, фунт-футах или калориях.

Температура (T):

Это мера кинетической энергии атомов или молекул, составляющих любой материальный объект. Он измеряет степень возбуждения внутренних молекул объекта, его тепловую энергию. Чем сильнее движение молекул, тем выше температура. Он измеряется в градусах Цельсия, градусах Кельвина, градусах Ренкина или градусах Фаренгейта. На рисунке 5 представлена ​​эквивалентность некоторых температурных шкал.

Термодинамические принципы

Изучение превращений энергии в термодинамике основано на четырех законах. Первый и второй законы связаны с качеством и количеством энергии; а третий и четвертый законы связаны с термодинамическими свойствами (температурой и энтропией). См. Рисунки 6 и 7.

Первый закон термодинамики:

Первый закон устанавливает принцип сохранения энергии. Энергия может передаваться от одного тела к другому или превращаться в другую форму энергии, но она всегда сохраняется, поэтому общее количество энергии всегда остается постоянным.

Рампа для катания на коньках - хороший пример Закона сохранения энергии, согласно которому энергия не создается и не разрушается, а преобразуется в другой тип энергии. Для фигуриста, такого как фигурист на рисунке 8, когда влияет только сила тяжести, мы должны:

• Позиция 1: Когда фигурист находится на вершине рампы, у него есть внутренняя энергия и потенциальная энергия из-за высоты, на которой он находится, но его кинетическая энергия равна нулю, поскольку он не находится в движении (скорость = 0 м / с).
• Позиция 2: Когда фигурист начинает спускаться по рампе, высота уменьшается, уменьшая внутреннюю энергию и потенциальную энергию, но увеличивая его кинетическую энергию по мере увеличения его скорости. Энергия преобразуется в кинетическую энергию. Когда фигурист достигает самой низкой точки рампы (положение 2), его потенциальная энергия равна нулю (высота = 0 м), в то время как он набирает максимальную скорость при спуске по рампе.
• Позиция 3: По мере подъема рампы фигурист теряет скорость, уменьшая свою кинетическую энергию, но внутренняя энергия и потенциальная энергия возрастают по мере того, как он набирает высоту.

Второй закон термодинамики:

Второй закон связан с «качеством» энергии при оптимизации преобразования и / или передачи энергии. Этот закон устанавливает, что в реальных процессах качество энергии имеет тенденцию к снижению. Введено определение термодинамического свойства «энтропия». В положениях второго закона устанавливается, когда процесс может произойти, а когда нет, даже если первый закон продолжает соблюдаться. См. Рисунок 9.

Нулевой закон:

Нулевой закон гласит, что если две системы находятся в равновесии с третьей, они находятся в равновесии друг с другом. Например, для рисунка 10, если A находится в тепловом равновесии с C, а C находится в тепловом равновесии с B, то A находится в тепловом равновесии с B.

Другие концепции Tэрмодинамика

система

Часть вселенной, которая интересна или интересна. Для чашки кофе на Рисунке 11 «система» - это содержимое чашки (кофе), где можно изучить передачу тепловой энергии. См. Рисунок 12. [4]

Окружающая среда

Это остальная часть Вселенной, внешняя по отношению к изучаемой системе. На рисунке 12 чашка кофе считается «границей», которая содержит кофе (систему), а то, что находится за пределами чашки (граница), является «средой» системы.

Термодинамическое равновесие

Состояние, в котором свойства системы четко определены и не изменяются с течением времени. Когда система представляет собой тепловое равновесие, механическое равновесие и химическое равновесие, она находится в «термодинамическом равновесии». В состоянии равновесия система не может изменять свое состояние, если на нее не воздействует внешний агент. См. Рисунок 13.

Паред

Сущность, которая разрешает или предотвращает взаимодействие между системами. Если стена пропускает вещество, она считается проницаемой. Адиабатическая стенка - это стена, которая не позволяет передавать тепло между двумя системами. Когда стена позволяет передавать тепловую энергию, она называется диатермической стенкой. См. Рисунок 14.

Выводы

Энергия - это способность перемещать материю. Это можно изменить, изменив его ситуацию или состояние.

Термодинамика - это наука, изучающая обмен и преобразование энергии в процессах. Изучение превращений энергии в термодинамике основано на четырех законах. Первый и второй законы связаны с качеством и количеством энергии; а третий и четвертый законы связаны с термодинамическими свойствами (температурой и энтропией).

Температура - это мера степени возбуждения молекул, составляющих тело, а тепло - это передача тепловой энергии между двумя телами, находящимися при разных температурах.

Термодинамическое равновесие существует, когда система одновременно находится в тепловом равновесии, механическом равновесии и химическом равновесии.

Благодарственная записка: При разработке этой статьи мы имели честь получить совет Инженер Марисоль Пино, специалист по промышленным КИПиА.