Базова електроенергіятехнологія

Термодинаміка, що це таке, та її застосування

Термодинаміка - це наука, заснована на вивченні енергії. Термодинамічні процеси відбуваються щодня у повсякденному житті, в будинках, у промисловості, з перетворенням енергії, наприклад, в кондиціонерному обладнанні, холодильниках, автомобілях, котлах та ін. Звідси важливість вивчення термодинаміки, заснованої на чотирьох основних законах, що встановлюють взаємозв'язок між якістю та кількістю енергії та термодинамічними властивостями.

Щоб легко зрозуміти закони термодинаміки, потрібно відштовхуватися від деяких основних понять, які викладені нижче, таких як енергія, тепло, температура тощо.

Запрошуємо переглянути статтю Сила закону Ватта (додатки - вправи)

Сила закону Ватта (Програми - Вправи)
citeia.com

Термодинаміка

трохи історії:

Термодинаміка вивчає обміни та перетворення енергії в процесах. Вже в 1600-х роках Галілей почав проводити дослідження в цій галузі з винаходом скляного термометра та взаємозв'язку щільності рідини та її температури.

У ході промислової революції проводяться дослідження з метою вивчення взаємозв'язку між нагріванням, роботою та енергією палива, а також для поліпшення роботи парових машин, що з'явилася термодинамікою як науковою наукою, починаючи з 1697 року з паровою машиною Томаса Савері . Перший і другий закони термодинаміки були встановлені в 1850 р. Багато вчених, такі як Джоуль, Кельвін, Клаузіус, Больцман, Карно, Клапейрон, Гіббс, Максвелл, серед інших, сприяли розвитку цієї науки "Термодинаміка".

Що таке термодинаміка?

Термодинаміка - це наука, яка вивчає перетворення енергії. Оскільки спочатку вивчалося, як перетворити тепло в потужність, у парових машинах грецькі слова "термос" і "динаміка" використовувались для назви цієї нової науки, утворюючи слово "термодинаміка". Дивіться малюнок 1.

Походження слова термодинаміка
citeia.com (рис. 1)

Термодинамічні програми

Область застосування термодинаміки дуже широка. Трансформація енергії відбувається в результаті багатьох процесів від людського тіла, з перетравленням їжі, до численних промислових процесів виробництва продуктів. У будинках є також пристрої, де термодинаміка застосовується до прасок, водонагрівачів, кондиціонерів та інших. Принципи термодинаміки застосовуються також у найрізноманітніших галузях, таких як електростанції, автомобілі та ракети. Дивіться малюнок 2.

Деякі способи використання термодинаміки
citeia.com (рис. 2)

Основи Термодинаміка

Енергія (E)

Властивість будь-якого матеріального або нематеріального тіла або системи, яка може бути перетворена шляхом зміни його ситуації або стану. Це також визначається як потенціал або здатність рухати матерію. На малюнку 3 ви можете побачити деякі джерела енергії.

Джерела енергії
citeia.com (рис. 3)

Форми енергії

Енергія буває в багатьох видах, таких як вітер, електрична, механічна, атомна енергія, серед інших. При вивченні термодинаміки використовується кінетична енергія, потенційна енергія та внутрішня енергія тіл. Кінетична енергія (Ec) пов'язана зі швидкістю, потенційною енергією (Ep) з висотою та внутрішньою енергією (U) з рухом внутрішніх молекул. Дивіться малюнок 4.

Кінетична, потенційна та внутрішня енергії в термодинаміці.
citeia.com (рис. 4)

Тепло (Q):

Передача теплової енергії між двома тілами, які перебувають при різних температурах. Тепло вимірюється в Джоулях, BTU, фунт-футах або в калоріях.

Температура (Т):

Це міра кінетичної енергії атомів або молекул, з яких складається будь-який матеріальний об'єкт. Він вимірює ступінь збудження внутрішніх молекул предмета, його теплової енергії. Чим більше рух молекул, тим вище температура. Вимірюється в градусах Цельсія, градусах Кельвіна, градусах Ранкіна або градусах Фаренгейта. На рисунку 5 представлена ​​еквівалентність між деякими температурними шкалами.

Деякі порівняння та температурні шкали.
citeia.com (рис. 5)

Термодинамічні принципи

Вивчення перетворень енергії в термодинаміці базується на чотирьох законах. Перший і другий закони пов’язані з якістю та кількістю енергії; тоді як третій і четвертий закони пов'язані з термодинамічними властивостями (температурою та ентропією). Див. Малюнки 6 та 7.

Закони, пов’язані з енергетикою в термодинаміці.
citeia.com (рис. 6)

Перший закон термодинаміки:

Перший закон встановлює принцип збереження енергії. Енергія може передаватися від одного тіла до іншого або змінюватися на інший вид енергії, але вона завжди зберігається, тому загальна кількість енергії завжди залишається незмінною.

Закони, пов’язані з термодинамічними властивостями
citeia.com (рис. 7)

Канатний пандус є хорошим прикладом Закону про збереження енергії, де встановлено, що енергія не створюється і не руйнується, а трансформується в інший тип енергії. Для фігуриста, такого як на малюнку 8, коли впливає лише гравітаційна сила, ми повинні:

  • Позиція 1: Коли фігурист знаходиться у верхній частині пандуса, він має внутрішню енергію та потенційну енергію завдяки висоті, на якій він перебуває, але його кінетична енергія дорівнює нулю, оскільки він не в русі (швидкість = 0 м / с).
  • Позиція 2: Коли фігурист починає ковзати по рампі, висота зменшується, зменшуючи внутрішню енергію та потенційну енергію, але збільшуючи його кінетичну енергію, із збільшенням швидкості. Енергія перетворюється на кінетичну. Коли фігурист досягає найнижчої точки пандуса (положення 2), його потенційна енергія дорівнює нулю (висота = 0 м), тоді як він набуває найвищої швидкості під час своєї подорожі вниз по рампі.
  • Позиція 3: Коли рампа піднімається вгору, фігурист втрачає швидкість, зменшуючи свою кінетичну енергію, але внутрішня енергія та потенційна енергія збільшуються, коли він набирає висоту.
Збереження енергії в термодинаміці.
citeia.com (рис. 8)

Другий закон термодинаміки:

Другий закон пов'язаний з "якістю" енергії, в оптимізації перетворення та / або передачі енергії. Цей закон встановлює, що в реальних процесах якість енергії має тенденцію до зниження. Введено визначення термодинамічної властивості "ентропія". У твердженнях другого закону встановлено, коли може відбуватися процес, а коли не може, навіть якщо перший закон продовжує виконуватися. Див. Малюнок 9.

Почуття тепловіддачі.
citeia.com (рис. 9)

Нульовий закон:

Нульовий закон говорить, що якщо дві системи знаходяться в рівновазі з третьою, вони знаходяться в рівновазі одна з одною. Наприклад, для малюнка 10, якщо A знаходиться в тепловій рівновазі з C, а C знаходиться в тепловій рівновазі з B, то A знаходиться в тепловій рівновазі з B.

Нульовий закон термодинаміки
citeia.com (рис. 10)

Інші концепції Тердодинаміка

Система

Частина Всесвіту, яка представляє інтерес чи дослідження. Для чашки кави на малюнку 11 "система" - це вміст чашки (кави), де можна вивчити передачу теплової енергії. Див. Малюнок 12. [4]

Система, межа та середовище термодинамічної системи.
citeia.com (рис. 11)

Навколишнє середовище

Це решта Всесвіту, зовнішня від досліджуваної системи. На малюнку 12 кавова чашка вважається "кордоном", що містить каву (систему), а те, що знаходиться поза чашкою (межею), є "середовищем" системи.

Термодинамічна система, що пояснює термодинамічну рівновагу.
citeia.com (рис. 12)

Термодинамічна рівновага

Стан, при якому властивості системи чітко визначені і не змінюються з часом. Коли система представляє теплову рівновагу, механічну рівновагу та хімічну рівновагу, вона перебуває у “термодинамічній рівновазі”. В рівновазі система не може змінювати свій стан, якщо на неї не діє зовнішній агент. Дивіться малюнок 13.

Термодинамічна рівновага
citeia.com (рис. 13)

Попарені

Суб'єкт, який дозволяє або запобігає взаємодії між системами. Якщо стіна дозволяє проходити речовині, це, як кажуть, проникна стіна. Адіабатична стінка - це та, яка не дозволяє передавати тепло між двома системами. Коли стінка дозволяє передавати теплову енергію, це називається діатермічною стінкою. Дивіться малюнок 14.

Стінка термодинамічної системи
citeia.com (14 рис)

Висновки

Енергія - це здатність рухати речовину. Це можна перетворити, змінивши його ситуацію чи стан.

Термодинаміка - це наука, яка вивчає обміни та перетворення енергії в процесах. Вивчення перетворень енергії в термодинаміці базується на чотирьох законах. Перший і другий закони пов’язані з якістю та кількістю енергії; тоді як третій і четвертий закони пов'язані з термодинамічними властивостями (температурою та ентропією).

Температура - це міра ступеня збудження молекул, що складають тіло, тоді як тепло - це передача теплової енергії між двома тілами, які знаходяться при різних температурах.

Термодинамічна рівновага існує, коли система одночасно перебуває в тепловій рівновазі, механічній рівновазі та хімічній рівновазі.

Дякуємо: Для розвитку цієї статті ми мали честь отримати поради від Інж. Марісол Піно, спеціаліст з промислових приладів та контролю.