Pangunahing KuryenteTeknolohiya

Thermodynamics, ano ito at ang mga application nito

Ang Thermodynamics ay isang agham batay sa pag-aaral ng enerhiya. Ang mga proseso ng thermodynamic ay nangyayari araw-araw sa pang-araw-araw na buhay, sa mga tahanan, sa industriya, na may pagbabago ng enerhiya, tulad ng mga kagamitan sa aircon, refrigerator, kotse, boiler, at iba pa. Samakatuwid ang kahalagahan ng pag-aaral ng Thermodynamics, batay sa apat na pangunahing batas na nagtataguyod ng mga ugnayan sa pagitan ng kalidad at dami ng enerhiya, at ng mga thermodynamic na katangian.

Upang maunawaan ang mga batas ng Thermodynamics, sa isang madaling paraan, kinakailangang magsimula mula sa ilang pangunahing mga konsepto na nakalantad sa ibaba, tulad ng enerhiya, init, temperatura, at iba pa.

Inaanyayahan ka naming tingnan ang artikulo Ang Kapangyarihan ng Batas ni Watt (Mga Aplikasyon - Ehersisyo)

Saklaw ng artikulo ang Kapangyarihan ng Watt's Law (Applications - Exercises)
citeia.com

Thermodynamics

Isang maliit na kasaysayan:

Pinag-aaralan ng Thermodynamics ang mga palitan at pagbabago ng enerhiya sa mga proseso. Nasa mga 1600s nagsimulang magsagawa si Galileo ng mga pag-aaral sa lugar na ito, sa pag-imbento ng thermometer ng salamin, at ang ugnayan ng density ng isang likido at ang temperatura nito.

Sa rebolusyong pang-industriya, isinasagawa ang mga pag-aaral upang malaman ang mga ugnayan sa pagitan ng init, trabaho at enerhiya ng mga fuel, pati na rin upang mapabuti ang pagganap ng mga steam engine, umuusbong na thermodynamics bilang isang agham sa pag-aaral, mula 1697 kasama ang steam engine ng Thomas Savery. Ang una at pangalawang batas ng thermodynamics ay itinatag noong 1850. Maraming siyentipiko tulad nina Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, bukod sa iba pa, ay nag-ambag sa pagpapaunlad ng agham na ito, "Thermodynamics."

Ano ang thermodynamics?

Ang Thermodynamics ay isang agham na nag-aaral ng mga pagbabago sa enerhiya. Mula noong una ay pinag-aralan kung paano mabago ang init sa lakas, sa mga steam engine, ginamit ang mga salitang Greek na "thermos" at "dynamis" upang pangalanan ang bagong agham na ito, na bumubuo sa salitang "thermodynamics". Tingnan ang pigura 1.

Pinagmulan ng salitang thermodynamics
citeia.com (fig 1)

Mga Aplikasyon na Thermodynamic

Ang lugar ng aplikasyon ng thermodynamics ay napakalawak. Ang pagbabago ng enerhiya ay nangyayari sa maraming proseso mula sa katawan ng tao, na may pantunaw na pagkain, sa maraming proseso ng industriya para sa paggawa ng mga produkto. Sa mga bahay ay mayroon ding mga aparato kung saan ang thermodynamics ay inilalapat sa mga bakal, pampainit ng tubig, aircon, at iba pa. Ang mga prinsipyo ng thermodynamics ay inilalapat din sa iba't ibang mga patlang, tulad ng sa mga planta ng kuryente, sasakyan, at rocket. Tingnan ang larawan 2.

Ilang Paggamit ng Thermodynamics
citeia.com (fig 2)

Batayan ng Thermodynamics

Enerhiya (E)

Pag-aari ng anumang materyal o di-materyal na katawan o system na maaaring mabago sa pamamagitan ng pagbabago ng sitwasyon o estado nito. Ito ay tinukoy din bilang ang potensyal o kakayahang ilipat ang bagay. Sa pigura 3 maaari mong makita ang ilang mga mapagkukunan ng enerhiya.

Mga mapagkukunan ng enerhiya
citeia.com (fig 3)

Mga anyo ng enerhiya

Ang enerhiya ay nagmumula sa maraming anyo, tulad ng hangin, elektrisidad, mekanikal, nukleyar na enerhiya, bukod sa iba pa. Sa pag-aaral ng thermodynamics, ginagamit ang lakas na gumagalaw, potensyal na enerhiya at panloob na enerhiya ng mga katawan. Ang lakas na gumagalaw (Ec) ay nauugnay sa bilis, ang potensyal na enerhiya (Ep) na may taas at panloob na enerhiya (U) na may paggalaw ng panloob na mga molekula. Tingnan ang pigura 4.

Kinetic, potensyal at panloob na enerhiya sa thermodynamics.
citeia.com (fig 4)

Init (Q):

Paglipat ng thermal energy sa pagitan ng dalawang katawan na nasa magkakaibang temperatura. Ang init ay sinusukat sa Joule, BTU, pound-feet, o sa calories.

Temperatura (T):

Ito ay isang sukat ng lakas na gumagalaw ng mga atomo o mga molekula na bumubuo ng anumang materyal na bagay. Sinusukat nito ang antas ng paggulo ng panloob na mga molekula ng isang bagay, ng thermal energy nito. Ang mas malaki ang paggalaw ng mga molekula, mas mataas ang temperatura. Sinusukat ito sa degree Celsius, degree Kelvin, degree Rankine, o degree Fahrenheit. Sa pigura 5 ang pagkakapareho sa pagitan ng ilang mga antas ng temperatura ay ipinakita.

Ang ilang mga paghahambing at kaliskis ng temperatura.
citeia.com (fig 5)

Mga Prinsipyo na Thermodynamic

Ang pag-aaral ng mga pagbabago sa enerhiya sa thermodynamics ay batay sa apat na batas. Ang una at pangalawang batas ay nauugnay sa kalidad at dami ng enerhiya; habang ang pangatlo at ikaapat na batas ay nauugnay sa mga katangian ng thermodynamic (temperatura at entropy). Tingnan ang mga numero 6 at 7.

Mga batas na nauugnay sa enerhiya sa thermodynamics.
citeia.com (fig 6)

Unang Batas ng Thermodynamics:

Ang unang batas ay nagtatatag ng prinsipyo ng pangangalaga ng enerhiya. Ang enerhiya ay maaaring mailipat mula sa isang katawan patungo sa isa pa, o binago sa isa pang anyo ng enerhiya, ngunit palaging ito ay nakatipid, kaya't ang kabuuang halaga ng enerhiya ay laging nananatiling pare-pareho.

Mga batas na nauugnay sa mga katangiang thermodynamic
citeia.com (fig 7)

Ang isang skating ramp ay isang magandang halimbawa ng Law of Conservation ng enerhiya, kung saan nalaman na ang enerhiya ay hindi nilikha o nawasak, ngunit binago sa isa pang uri ng enerhiya. Para sa isang skater tulad ng nasa pigura 8, kung ang nakakaimpluwensyang puwersa lamang ng gravitational, kailangan nating:

  • Posisyon 1: Kapag ang skater ay nasa tuktok ng ramp, mayroon siyang panloob na enerhiya at potensyal na enerhiya dahil sa taas na nasa siya, ngunit ang kanyang kinetic energy ay zero dahil wala siya sa paggalaw (bilis = 0 m / s).
  • Posisyon 2: Habang nagsisimulang dumulas ang skater pababa sa rampa, bumababa ang taas, bumabawas ng panloob na enerhiya at potensyal na enerhiya, ngunit nadaragdagan ang kanyang lakas na gumagalaw, habang tumataas ang kanyang bilis. Ang enerhiya ay nabago sa lakas na gumagalaw. Kapag naabot ng skater ang pinakamababang punto ng ramp (posisyon 2), ang kanyang potensyal na enerhiya ay zero (taas = 0m), habang nakakuha siya ng pinakamataas na bilis sa kanyang paglalakbay pababa sa rampa.
  • Posisyon 3: Habang tumataas ang rampa, nawawalan ng bilis ang skater, bumabawas ang kanyang lakas na gumagalaw, ngunit tumataas ang panloob na enerhiya, at ang potensyal na enerhiya, habang nakakakuha siya ng taas.
Pag-iingat ng enerhiya sa thermodynamics.
citeia.com (fig 8)

Pangalawang batas ng thermodynamics:

Ang pangalawang batas ay nauugnay sa "kalidad" ng enerhiya, sa pag-optimize ng conversion at / o paghahatid ng enerhiya. Itinatakda ng batas na ito na sa tunay na proseso ang kalidad ng enerhiya ay may posibilidad na bumaba. Ang kahulugan ng thermodynamic na ari-arian na "entropy" ay ipinakilala. Sa mga pahayag ng pangalawang batas, itinatag ito kung kailan maaaring maganap ang isang proseso at kung hindi ito magagawa, kahit na ang unang batas ay patuloy na sinusunod. Tingnan ang pigura 9.

Pakiramdam ng paglipat ng init.
citeia.com (fig 9)

Zero Law:

Ang batas na zero ay nagsasaad na kung ang dalawang mga sistema sa balanse na may isang ikatlo sila ay nasa balanse sa bawat isa. Halimbawa, para sa Larawan 10, kung ang A ay nasa thermal equilibrium na may C, at ang C ay nasa thermal equilibrium na may B, kung gayon ang A ay nasa thermal equilibrium na may B.

Zero batas ng thermodynamics
citeia.com (fig 10)

Iba pang mga konsepto ng Termodynamics

Sistema

Bahagi ng uniberso na may interes o pag-aaral. Para sa tasa ng kape sa Larawan 11, ang "sistema" ay ang nilalaman ng tasa (kape) kung saan maaaring pag-aralan ang paglipat ng thermal enerhiya. Tingnan ang pigura 12. [4]

Sistema, hangganan at kapaligiran ng isang thermodynamic system.
citeia.com (fig 11)

Kapaligiran

Ito ang natitirang sansinukob na panlabas sa sistemang pinag-aaralan. Sa Larawan 12, ang tasa ng kape ay isinasaalang-alang ang "hangganan" na naglalaman ng kape (system) at kung ano ang nasa labas ng tasa (hangganan) ay ang "kapaligiran" ng system.

Thermodynamic system na nagpapaliwanag ng thermodynamic equilibrium.
citeia.com (fig 12)

Thermodynamic Equilibrium

Estado kung saan ang mga pag-aari ng system ay mahusay na tinukoy at hindi nag-iiba sa paglipas ng panahon. Kapag ang isang sistema ay nagpapakita ng pantay na balanse, pantay na balanse ng mekanikal at balanse ng kemikal, ito ay nasa "thermodynamic equilibrium". Sa balanse, hindi mababago ng isang sistema ang estado nito maliban kung ang isang panlabas na ahente ay kumilos dito. Tingnan ang pigura 13.

Thermodynamic equilibrium
citeia.com (fig 13)

Wall

Entity na pinapayagan o pinipigilan ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga system. Kung pinapayagan ng pader ang pagdaan ng sangkap, sinasabing isang permeable wall. Ang isang adiabatic wall ay isa na hindi pinapayagan ang paglipat ng init sa pagitan ng dalawang mga system. Kapag pinapayagan ng pader ang paglipat ng thermal energy tinatawag itong diathermic wall. Tingnan ang pigura 14.

Wall ng isang thermodynamic system
citeia.com (14 fig)

Konklusyon

Ang enerhiya ay ang kakayahang ilipat ang bagay. Maaari itong mabago sa pamamagitan ng pagbabago ng sitwasyon o estado nito.

Ang Thermodynamics ay isang agham na pinag-aaralan ang mga palitan at pagbabago ng enerhiya sa mga proseso. Ang pag-aaral ng mga pagbabago sa enerhiya sa thermodynamics ay batay sa apat na batas. Ang una at pangalawang batas ay nauugnay sa kalidad at dami ng enerhiya; habang ang pangatlo at ikaapat na batas ay nauugnay sa mga katangian ng thermodynamic (temperatura at entropy).

Ang temperatura ay isang sukat ng antas ng paggulo ng mga molekula na bumubuo sa isang katawan, habang ang init ay ang paglipat ng thermal energy sa pagitan ng dalawang katawan na nasa magkakaibang temperatura.

Ang thermodynamic equilibrium ay umiiral kapag ang system ay sabay-sabay sa thermal equilibrium, mechanical equilibrium at chemical equilibrium.

Tala ng pasasalamat: Para sa pag-unlad ng artikulong ito nagkaroon kami ng karangalan na magkaroon ng payo ng Ing. Marisol Pino, Espesyalista sa Instrumentasyong Pang-industriya at Pagkontrol.