Termodynamik, vad det är och dess tillämpningar

Termodynamik är en vetenskap baserad på studier av energi. Termodynamiska processer förekommer dagligen i vardagen, i hemmet, i industrin, med omvandling av energi, såsom bland annat luftkonditioneringsutrustning, kylskåp, bilar, pannor. Därav betydelsen av studien av termodynamik, baserad på fyra grundläggande lagar som fastställer förhållandena mellan energikvaliteten och kvantiteten och de termodynamiska egenskaperna.

För att förstå termodynamikens lagar, på ett enkelt sätt, måste man utgå från några grundläggande begrepp som exponeras nedan, till exempel energi, värme, temperatur.

Vi inbjuder dig att se artikeln Kraften i Watts lag (ansökningar - övningar)

Termodynamik

Lite historia:

Termodynamik studerar utbyten och transformationer av energi i processer. Redan på 1600-talet började Galileo utföra studier inom detta område, med uppfinningen av glastermometern, och förhållandet mellan vätskans densitet och dess temperatur.

Med den industriella revolutionen genomförs studier för att känna till förhållandet mellan värme, arbete och energi hos bränslen, samt för att förbättra ångmotorernas prestanda, framväxande termodynamik som studievetenskap, från 1697 med Thomas Saverys ångmotor. Termodynamikens första och andra lagstiftning upprättades 1850. Många forskare som Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, bland andra, bidrog till utvecklingen av denna vetenskap, "Termodynamik."

Vad är termodynamik?

Termodynamik är en vetenskap som studerar energitransformationer. Sedan ursprungligen studerades hur man omvandlar värme till kraft, i ångmotorer, användes de grekiska orden "termos" och "dynamis" för att namnge denna nya vetenskap och bildade ordet "termodynamik". Se figur 1.

Termodynamiska applikationer

Användningsområdet för termodynamik är mycket brett. Transformationen av energi sker i flera processer från människokroppen, med matsmältningen, till många industriella processer för produktion av produkter. I hemmet finns det också enheter där termodynamik appliceras på strykjärn, varmvattenberedare, luftkonditioneringsapparater, bland andra. Principerna för termodynamik tillämpas också inom en mängd olika områden, såsom kraftverk, bilar och raketer. Se figur 2.

Grunderna i Termodynamik

Energi (E)

Egendom för något material eller icke-materiellt organ eller system som kan transformeras genom att ändra dess situation eller tillstånd. Det definieras också som potentialen eller förmågan att flytta materia. I figur 3 kan du se några energikällor.

Former av energi

Energi finns i många former, bland annat vind, elektrisk, mekanisk, kärnenergi. I studien av termodynamik används kinetisk energi, potentiell energi och kroppens inre energi. Den kinetiska energin (Ec) är relaterad till hastigheten, den potentiella energin (Ep) med höjden och den inre energin (U) med rörelsen av de interna molekylerna. Se figur 4.

Värme (Q):

Överföring av termisk energi mellan två kroppar som har olika temperaturer. Värme mäts i Joule, BTU, pund-fötter eller i kalorier.

Temperatur (T):

Det är ett mått på den kinetiska energin hos atomerna eller molekylerna som utgör något materiellt objekt. Det mäter graden av omrörning av de inre molekylerna i ett objekt, av dess termiska energi. Ju större molekylernas rörelse desto högre temperatur. Det mäts i grader Celsius, grader Kelvin, grader Rankine eller grader Fahrenheit. I figur 5 presenteras ekvivalensen mellan vissa temperaturskalor.

Termodynamiska principer

Studien av energitransformationer i termodynamik bygger på fyra lagar. Den första och andra lagstiftningen är relaterade till energikvaliteten och kvantiteten; medan den tredje och fjärde lagstiftningen är relaterade till termodynamiska egenskaper (temperatur och entropi). Se figur 6 och 7.

Termodynamikens första lag:

Den första lagen fastställer principen om energibesparing. Energi kan överföras från en kropp till en annan eller ändras till en annan energiform, men den bevaras alltid, så den totala mängden energi förblir alltid konstant.

En skridskoåkning är ett bra exempel på lagen om energibesparing, där man finner att energi inte skapas eller förstörs utan omvandlas till en annan typ av energi. För en åkare som den i figur 8, när endast gravitationskraften påverkar, måste vi:

• Position 1: När åkaren är högst upp på rampen har han inre energi och potentiell energi på grund av höjden han är på, men hans kinetiska energi är noll eftersom han inte är i rörelse (hastighet = 0 m / s).
• Position 2: När skridskoåkaren börjar glida nerför rampen minskar höjden och minskar den inre energin och den potentiella energin, men ökar hans kinetiska energi när hastigheten ökar. Energin omvandlas till kinetisk energi. När åkaren når rampens lägsta punkt (position 2) är hans potentiella energi noll (höjd = 0m), medan han får den högsta hastigheten under sin resa nerför rampen.
• Position 3: När rampen går upp, tappar skridskon hastigheten och minskar sin kinetiska energi, men den inre energin ökar och den potentiella energin när han får höjd.

Andra lagen om termodynamik:

Den andra lagen är relaterad till "kvaliteten" på energi, när det gäller att optimera omvandlingen och / eller överföringen av energi. Denna lag fastställer att i verkliga processer tenderar energikvaliteten att minska. Definitionen av den termodynamiska egenskapen "entropi" introduceras. I uttalandena från den andra lagen fastställs när en process kan inträffa och när den inte kan, även om den första lagen fortsätter att följas. Se figur 9.

Noll lag:

Noll-lagen säger att om två system i jämvikt med ett tredje är de i jämvikt med varandra. Till exempel, för figur 10, om A är i termisk jämvikt med C, och C är i termisk jämvikt med B, så är A i termisk jämvikt med B.

Andra begrepp i Termodynamik

System

En del av universum som är av intresse eller studie. För koppen kaffe i figur 11 är "systemet" innehållet i koppen (kaffe) där överföringen av termisk energi kan studeras. Se figur 12. [4]

miljö

Det är resten av universum utanför systemet som studeras. I figur 12 betraktas kaffekoppen som "gränsen" som innehåller kaffet (systemet) och vad som finns utanför koppen (gränsen) är systemets "miljö".

Termodynamisk jämvikt

Tillstånd där systemets egenskaper är väldefinierade och inte varierar över tiden. När ett system presenterar termisk jämvikt, mekanisk jämvikt och kemisk jämvikt är det i ”termodynamisk jämvikt”. I jämvikt kan ett system inte ändra sitt tillstånd om inte en extern agent agerar på det. Se figur 13.

vägg

Enhet som tillåter eller förhindrar interaktioner mellan system. Om väggen tillåter passage av substans sägs det vara en permeabel vägg. En adiabatisk vägg är en som inte tillåter värmeöverföring mellan två system. När väggen tillåter överföring av termisk energi kallas det en diatermisk vägg. Se figur 14.

Slutsatser

Energi är förmågan att flytta materia. Detta kan omvandlas genom att ändra dess situation eller tillstånd.

Termodynamik är en vetenskap som studerar utbyte och transformationer av energi i processer. Studien av energitransformationer i termodynamik bygger på fyra lagar. Den första och andra lagstiftningen är relaterade till energikvaliteten och kvantiteten; medan den tredje och fjärde lagstiftningen är relaterade till termodynamiska egenskaper (temperatur och entropi).

Temperatur är ett mått på graden av rörelse hos molekylerna som utgör en kropp, medan värme är överföringen av termisk energi mellan två kroppar som har olika temperaturer.

Termodynamisk jämvikt existerar när systemet samtidigt är i termisk jämvikt, mekanisk jämvikt och kemisk jämvikt.

Tackkort: För utvecklingen av denna artikel har vi haft äran att få råd från Ing. Marisol Pino, specialist på industriell instrumentering och kontroll.