Termodinamika, kaj je in njene uporabe

Termodinamika je znanost, ki temelji na preučevanju energije. Termodinamični procesi se pojavljajo vsak dan v vsakdanjem življenju, v domovih, v industriji, s preoblikovanjem energije, na primer med drugim v klimatski opremi, hladilnikih, avtomobilih, kotlih. Od tod tudi pomen študija termodinamike, ki temelji na štirih osnovnih zakonih, ki določajo razmerja med kakovostjo in količino energije ter termodinamičnimi lastnostmi.

Da bi lahko na enostaven način razumeli zakone termodinamike, moramo izhajati iz nekaterih osnovnih konceptov, ki so izpostavljeni spodaj, kot so energija, toplota, temperatura, med drugim.

Vabimo vas, da si ogledate članek Moč Wattovega zakona (aplikacije - vaje)

Termodinamika

Malo zgodovine:

Termodinamika preučuje izmenjave in pretvorbe energije v procesih. Že v 1600-ih je Galileo začel izvajati študije na tem področju z izumom steklenega termometra in razmerjem med gostoto tekočine in njeno temperaturo.

Z industrijsko revolucijo se izvajajo študije, da bi ugotovili razmerja med toploto, delom in energijo goriv, ​​pa tudi izboljšali zmogljivosti parnih strojev, pri čemer je termodinamika nastala kot študijska znanost od leta 1697 s parnim strojem Thomasa Saveryja. Prvi in ​​drugi zakon termodinamike sta bila ustanovljena leta 1850. Mnogi znanstveniki, kot so Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, so med drugim prispevali k razvoju te znanosti, "Termodinamika".

Kaj je termodinamika?

Termodinamika je znanost, ki preučuje energetske preobrazbe. Ker so sprva preučevali, kako toploto pretvoriti v moč, so v parnih strojih za poimenovanje te nove znanosti uporabili grške besede "termos" in "dinamis", ki tvorijo besedo "termodinamika". Glej sliko 1.

Termodinamične aplikacije

Področje uporabe termodinamike je zelo široko. Preobrazba energije se zgodi v več procesih od človeškega telesa s prebavo hrane do številnih industrijskih procesov za proizvodnjo izdelkov. V domovih obstajajo tudi naprave, pri katerih se termodinamika med drugim uporablja za likalnike, grelnike vode, klimatske naprave. Načela termodinamike se uporabljajo tudi na najrazličnejših področjih, na primer v elektrarnah, avtomobilih in raketah. Glej sliko 2.

Osnove Termodinamika

Energija (E)

Lastnost katerega koli materialnega ali nematerialnega telesa ali sistema, ki se lahko spremeni s spreminjanjem njegovega stanja ali stanja. Opredeljen je tudi kot potencial ali sposobnost premikanja snovi. Na sliki 3 lahko vidite nekatere vire energije.

Oblike energije

Energija je na voljo v številnih oblikah, kot so vetrna, električna, mehanska in jedrska energija. Pri študiju termodinamike se uporabljajo kinetična energija, potencialna energija in notranja energija teles. Kinetična energija (Ec) je povezana s hitrostjo, potencialno energijo (Ep) z višino in notranjo energijo (U) z gibanjem notranjih molekul. Glej sliko 4.

Vročina (Q):

Prenos toplotne energije med dvema telesoma, ki imata različne temperature. Toplota se meri v džulih, BTU, kilogramih ali kalorijah.

Temperatura (T):

Je merilo kinetične energije atomov ali molekul, ki tvorijo kateri koli materialni predmet. Meri stopnjo vznemirjenosti notranjih molekul predmeta in njegove toplotne energije. Večje je gibanje molekul, višja je temperatura. Izmeri se v stopinjah Celzija, stopinjah Kelvina, stopinjah Rankina ali stopinjah Fahrenheita. Na sliki 5 je predstavljena enakovrednost med nekaterimi temperaturnimi lestvicami.

Termodinamična načela

Preučevanje energetskih transformacij v termodinamiki temelji na štirih zakonih. Prvi in ​​drugi zakon sta povezana s kakovostjo in količino energije; medtem ko sta tretji in četrti zakon povezana s termodinamičnimi lastnostmi (temperatura in entropija). Glej sliki 6 in 7.

Prvi zakon termodinamike:

Prvi zakon določa načelo varčevanja z energijo. Energijo lahko prenesemo iz enega telesa v drugo ali jo spremenimo v drugo obliko energije, vendar je vedno ohranjena, zato celotna količina energije vedno ostane nespremenjena.

Drsalna klančina je dober primer zakona o ohranjanju energije, kjer ugotovijo, da se energija ne ustvarja ali uničuje, ampak se preoblikuje v drugo vrsto energije. Za drsalec, kot je ta na sliki 8, ko vpliva le gravitacijska sila, moramo:

• Položaj 1: Ko je drsalec na vrhu rampe, ima notranjo in potencialno energijo zaradi višine, na kateri je, vendar je njegova kinetična energija nič, ker ni v gibanju (hitrost = 0 m / s).
• Položaj 2: Ko drsalec začne drsati po klančini, se višina zmanjša, zmanjša se notranja in potencialna energija, poveča pa njegova kinetična energija, saj njegova hitrost narašča. Energija se spremeni v kinetično energijo. Ko drsalec doseže najnižjo točko klančine (položaj 2), je njegova potencialna energija nič (višina = 0 m), medtem ko doseže največjo hitrost na poti po klančini.
• Položaj 3: Ko se rampa dvigne, drsalec izgublja hitrost in zmanjšuje svojo kinetično energijo, vendar se notranja energija povečuje in potencialna energija, ko pridobiva višino.

Drugi zakon termodinamike:

Drugi zakon je povezan s "kakovostjo" energije pri optimizaciji pretvorbe in / ali prenosa energije. Ta zakon določa, da se v resničnih procesih kakovost energije ponavadi zmanjšuje. Uvedena je definicija termodinamične lastnosti "entropija". V izjavah drugega zakona je določeno, kdaj lahko pride do procesa in kdaj ne, tudi če se prvi zakon še naprej upošteva. Glej sliko 9.

Zero zakon:

Ničelni zakon določa, da če sta dva sistema v ravnovesju s tretjim, sta v ravnovesju med seboj. Na primer, za sliko 10, če je A v toplotnem ravnovesju s C in je C v toplotnem ravnotežju z B, potem je A v toplotnem ravnovesju z B.

Drugi koncepti Termodinamika

Sistem

Del vesolja, ki vas zanima ali preučuje. Za skodelico kave na sliki 11 je "sistem" vsebina skodelice (kave), kjer je mogoče preučevati prenos toplotne energije. Glej sliko 12. [4]

Okolje

To je ostalo vesolje, ki je zunaj sistema, ki ga preučujemo. Na sliki 12 se skodelica za kavo šteje za "obrobo", ki vsebuje kavo (sistem), in tisto, kar je zunaj skodelice (obrobo), je "okolje" sistema.

Termodinamično ravnovesje

Stanje, v katerem so lastnosti sistema dobro opredeljene in se s časom ne spreminjajo. Ko sistem predstavlja toplotno ravnovesje, mehansko ravnovesje in kemijsko ravnovesje, je v "termodinamičnem ravnovesju". V ravnovesju sistem ne more spremeniti svojega stanja, če nanj ne deluje zunanji agent. Glej sliko 13.

zid

Subjekt, ki omogoča ali preprečuje interakcije med sistemi. Če stena omogoča prehod snovi, naj bi šlo za prepustno steno. Adiabatska stena je tista, ki ne omogoča prenosa toplote med dvema sistemoma. Ko stena omogoča prenos toplotne energije, se imenuje diatermična stena. Glej sliko 14.

Sklepi

Energija je sposobnost premikanja snovi. To je mogoče spremeniti s spreminjanjem njegovega stanja ali stanja.

Termodinamika je znanost, ki preučuje izmenjave in preobrazbe energije v procesih. Preučevanje energetskih transformacij v termodinamiki temelji na štirih zakonih. Prvi in ​​drugi zakon sta povezana s kakovostjo in količino energije; medtem ko sta tretji in četrti zakon povezana s termodinamičnimi lastnostmi (temperatura in entropija).

Temperatura je merilo stopnje vznemirjenosti molekul, ki sestavljajo telo, medtem ko je toplota prenos toplotne energije med dvema telesoma, ki sta pri različnih temperaturah.

Termodinamično ravnovesje obstaja, kadar je sistem hkrati v toplotnem ravnovesju, mehanskem ravnovesju in kemičnem ravnovesju.

Zahvalnica: Za razvoj tega članka smo imeli čast, da smo dobili nasvet Ing. Marisol Pino, strokovnjak za industrijsko merjenje in nadzor.