Termodynamika, čo to je a jej aplikácie

Termodynamika je veda založená na štúdiu energie. Termodynamické procesy prebiehajú každý deň v každodennom živote, v domácnostiach, v priemysle a okrem iného s transformáciou energie, napríklad v klimatizačných zariadeniach, chladničkách, automobiloch, kotloch. Z toho vyplýva dôležitosť štúdia termodynamiky založenej na štyroch základných zákonoch, ktoré stanovujú vzťahy medzi kvalitou a množstvom energie a termodynamickými vlastnosťami.

Aby sme pochopili zákony termodynamiky jednoduchým spôsobom, je potrebné vychádzať z niektorých základných pojmov, ktoré sú vystavené nižšie, ako sú napríklad energia, teplo, teplota.

Pozývame vás pozrieť si článok Sila Wattovho zákona (Aplikácie - Cvičenia)

Termodynamika

trocha histórie:

Termodynamika študuje výmeny a transformácie energie v procesoch. Už v 1600. storočí začal Galileo v tejto oblasti uskutočňovať štúdie s vynálezom skleneného teplomera a vzťahu hustoty kvapaliny a jej teploty.

S priemyselnou revolúciou sa uskutočňujú štúdie zamerané na poznanie vzťahov medzi teplom, prácou a energiou palív, ako aj na zlepšenie výkonu parných strojov. Nová termodynamika sa vyvinula ako vedecká veda, počnúc rokom 1697 s parným strojom Thomasa Saveryho. . Prvý a druhý zákon termodynamiky boli stanovené v roku 1850. K rozvoju tejto vedy „Termodynamika“ prispelo mnoho ďalších vedcov, ako napríklad Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell.

Čo je to termodynamika?

Termodynamika je veda, ktorá študuje transformácie energie. Pretože pôvodne sa študovalo, ako transformovať teplo na energiu, v parných strojoch sa na pomenovanie tejto novej vedy používali grécke slová „termos“ a „dynamis“, ktoré vytvorili slovo „termodynamika“. Pozri obrázok 1.

Termodynamické aplikácie

Oblasť použitia termodynamiky je veľmi široká. Transformácia energie sa deje v mnohých procesoch od ľudského tela cez trávenie potravy až po mnohé priemyselné procesy výroby výrobkov. V domácnostiach existujú aj zariadenia, kde sa termodynamika aplikuje okrem iného na žehličky, ohrievače vody, klimatizácie. Princípy termodynamiky sa uplatňujú aj v širokej škále oblastí, napríklad v elektrárňach, automobiloch a raketách. Pozri obrázok 2.

Základy Termodynamika

Energia (E)

Majetok akéhokoľvek hmotného alebo nehmotného tela alebo systému, ktorý je možné transformovať úpravou jeho situácie alebo stavu. Je tiež definovaný ako potenciál alebo schopnosť pohybovať hmotou. Na obrázku 3 môžete vidieť niektoré zdroje energie.

Formy energie

Energia má mnoho podôb, napríklad veternú, elektrickú, mechanickú a jadrovú energiu. Pri štúdiu termodynamiky sa využíva kinetická energia, potenciálna energia a vnútorná energia telies. Kinetická energia (Ec) súvisí s rýchlosťou, potenciálna energia (Ep) s výškou a vnútorná energia (U) s pohybom vnútorných molekúl. Pozri obrázok 4.

Teplo (Q):

Prenos tepelnej energie medzi dvoma telesami, ktoré majú rôzne teploty. Teplo sa meria v Joule, BTU, libre stôp alebo v kalóriách.

Teplota (T):

Je to miera kinetickej energie atómov alebo molekúl, ktoré tvoria akýkoľvek hmotný objekt. Meria stupeň rozrušenia vnútorných molekúl objektu a jeho tepelnej energie. Čím väčší je pohyb molekúl, tým vyššia je teplota. Meria sa v stupňoch Celzia, Kelvinoch, Rankinových stupňoch alebo stupňoch Fahrenheita. Na obrázku 5 je uvedená ekvivalencia medzi niektorými teplotnými stupnicami.

Termodynamické princípy

Štúdium energetických transformácií v termodynamike je založené na štyroch zákonoch. Prvý a druhý zákon súvisia s kvalitou a množstvom energie; zatiaľ čo tretí a štvrtý zákon súvisia s termodynamickými vlastnosťami (teplota a entropia). Pozri obrázky 6 a 7.

Prvý zákon termodynamiky:

Prvý zákon ustanovuje zásadu úspory energie. Energia sa môže prenášať z jedného tela do druhého alebo sa môže meniť na inú formu energie, ale tá sa vždy zachováva, takže celkové množstvo energie zostáva vždy nemenné.

Korčuliarska rampa je dobrým príkladom zákona o zachovaní energie, pri ktorom sa zistí, že energia sa nevytvára alebo nezničí, ale transformuje sa na iný typ energie. Pre korčuliarov, ako je ten na obrázku 8, keď ovplyvňuje iba gravitačná sila, musíme:

• Pozícia 1: Keď je korčuliar na vrchole rampy, má vnútornú a potenciálnu energiu vzhľadom na výšku, v ktorej sa nachádza, ale jeho kinetická energia je nulová, pretože nie je v pohybe (rýchlosť = 0 m / s).
• Pozícia 2: Keď korčuliar začne kĺzať po rampe, výška klesá, klesá vnútorná a potenciálna energia, ale zvyšuje sa jeho kinetická energia so zvyšujúcou sa rýchlosťou. Energia sa transformuje na kinetickú energiu. Keď korčuliar dosiahne najnižší bod rampy (poloha 2), jeho potenciálna energia je nulová (výška = 0 m), zatiaľ čo na svojej ceste po rampe dosiahne najvyššiu rýchlosť.
• Pozícia 3: Keď rampa stúpa, korčuliar stráca rýchlosť a znižuje svoju kinetickú energiu, ale vnútorná energia sa zvyšuje a potenciálna energia sa zvyšuje, keď získava výšku.

Druhý zákon termodynamiky:

Druhý zákon súvisí s „kvalitou“ energie pri optimalizácii premeny a / alebo prenosu energie. Tento zákon ustanovuje, že v skutočných procesoch má kvalita energie tendenciu klesať. Zavádza sa definícia termodynamickej vlastnosti „entropia“. Vo vyhláseniach druhého zákona sa stanovuje, kedy môže proces nastať a kedy nie, aj keď sa prvý zákon naďalej plní. Pozri obrázok 9.

Nulový zákon:

Nulový zákon hovorí, že ak sú dva systémy v rovnováhe s tretím v rovnováhe navzájom. Napríklad na obrázku 10, ak je A v tepelnej rovnováhe s C a C je v tepelnej rovnováhe s B, potom A je v tepelnej rovnováhe s B.

Ostatné koncepty Termodynamika

Systém

Časť vesmíru, ktorá je zaujímavá alebo študovaná. Pre šálku kávy na obrázku 11 je „systémom“ obsah šálky (kávy), kde je možné študovať prenos tepelnej energie. Pozri obrázok 12. [4]

Životné prostredie

Je to zvyšok vesmíru mimo študovaného systému. Na obrázku 12 je šálka kávy považovaná za „hranicu“, ktorá obsahuje kávu (systém), a to, čo je mimo šálky (hranica), je „prostredie“ systému.

Termodynamická rovnováha

Stav, v ktorom sú vlastnosti systému dobre definované a v priebehu času sa nemenia. Keď systém predstavuje tepelnú rovnováhu, mechanickú rovnováhu a chemickú rovnováhu, je v „termodynamickej rovnováhe“. V rovnováhe systém nemôže upravovať svoj stav, pokiaľ na neho nekoná externý agent. Pozri obrázok 13.

Stena

Subjekt, ktorý umožňuje alebo zabraňuje interakciám medzi systémami. Ak stena umožňuje priechod látky, hovorí sa o priepustnej stene. Adiabatická stena je taká, ktorá neumožňuje prenos tepla medzi dvoma systémami. Keď stena umožňuje prenos tepelnej energie, nazýva sa to diatermická stena. Pozri obrázok 14.

Závery

Energia je schopnosť hýbať hmotou. To je možné transformovať úpravou jeho situácie alebo stavu.

Termodynamika je veda, ktorá študuje výmeny a premeny energie v procesoch. Štúdium energetických transformácií v termodynamike je založené na štyroch zákonoch. Prvý a druhý zákon súvisia s kvalitou a množstvom energie; zatiaľ čo tretí a štvrtý zákon súvisia s termodynamickými vlastnosťami (teplota a entropia).

Teplota je mierou stupňa rozrušenia molekúl, ktoré tvoria telo, zatiaľ čo teplo je prenosom tepelnej energie medzi dvoma telesami, ktoré majú rôzne teploty.

Termodynamická rovnováha existuje, keď je systém súčasne v tepelnej rovnováhe, mechanickej rovnováhe a chemickej rovnováhe.

Poďakovanie: Pri vývoji tohto článku sme mali tú česť nechať si poradiť od Ing. Marisol Pino, špecialista na priemyselné prístrojové vybavenie a riadenie.