Nhiệt động lực học, nó là gì và các ứng dụng của nó

Nhiệt động lực học là một ngành khoa học dựa trên nghiên cứu về năng lượng. Các quá trình nhiệt động học xảy ra hàng ngày trong cuộc sống hàng ngày, trong gia đình, trong công nghiệp, với sự biến đổi năng lượng, chẳng hạn như trong thiết bị điều hòa không khí, tủ lạnh, ô tô, nồi hơi, v.v. Do đó tầm quan trọng của việc nghiên cứu Nhiệt động lực học, dựa trên bốn định luật cơ bản thiết lập các mối quan hệ giữa chất lượng và số lượng năng lượng, và các tính chất nhiệt động lực học.

Để hiểu các định luật Nhiệt động lực học, một cách dễ hiểu, bạn phải bắt đầu từ một số khái niệm cơ bản được trình bày dưới đây, chẳng hạn như năng lượng, nhiệt lượng, nhiệt độ, trong số những khái niệm khác.

Mời các bạn xem bài viết Sức mạnh của định luật Watt (Ứng dụng - Bài tập)

Nhiệt động lực học

Một chút lịch sử:

Nhiệt động lực học nghiên cứu sự trao đổi và biến đổi năng lượng trong các quá trình. Ngay từ những năm 1600, Galileo đã bắt đầu thực hiện các nghiên cứu trong lĩnh vực này, với việc phát minh ra nhiệt kế thủy tinh, và mối quan hệ giữa khối lượng riêng của chất lỏng và nhiệt độ của nó.

Với cuộc cách mạng công nghiệp, các nghiên cứu được thực hiện để biết mối quan hệ giữa nhiệt, công và năng lượng của nhiên liệu, cũng như để cải thiện hiệu suất của động cơ hơi nước, Nhiệt động lực học nổi lên như một ngành khoa học nghiên cứu, từ năm 1697 với động cơ hơi nước của Thomas Savery. Định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học được thành lập vào năm 1850. Nhiều nhà khoa học như Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, và những người khác, đã đóng góp vào sự phát triển của khoa học này, "Nhiệt động lực học."

Nhiệt động lực học là gì?

Nhiệt động lực học là một ngành khoa học nghiên cứu sự biến đổi năng lượng. Vì ban đầu người ta nghiên cứu cách biến nhiệt thành điện năng nên trong động cơ hơi nước, các từ Hy Lạp "phích" và "động lực học" đã được dùng để đặt tên cho ngành khoa học mới này, tạo thành từ "nhiệt động lực học". Xem hình 1.

Ứng dụng nhiệt động lực học

Lĩnh vực ứng dụng của nhiệt động lực học rất rộng. Sự chuyển hóa năng lượng xảy ra trong nhiều quá trình từ cơ thể con người, với quá trình tiêu hóa thức ăn, thậm chí trong nhiều quá trình công nghiệp để sản xuất sản phẩm. Trong gia đình cũng có những thiết bị mà nhiệt động lực học được áp dụng cho bàn là, máy nước nóng, máy điều hòa không khí, v.v. Các nguyên lý của nhiệt động lực học cũng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như trong các nhà máy điện, ô tô và tên lửa. Xem hình 2.

Những điều cơ bản của Nhiệt động lực học

Năng lượng (E)

Thuộc tính của bất kỳ cơ thể hoặc hệ thống vật chất hoặc phi vật chất nào có thể được biến đổi bằng cách thay đổi tình trạng hoặc trạng thái của nó. Nó cũng được định nghĩa là tiềm năng hoặc khả năng di chuyển vật chất. Trong hình 3, bạn có thể thấy một số nguồn năng lượng.

Các dạng năng lượng

Năng lượng có nhiều dạng, chẳng hạn như năng lượng gió, điện, cơ học, năng lượng hạt nhân, trong số những dạng khác. Trong nghiên cứu nhiệt động học, động năng, thế năng và nội năng của các vật thể được sử dụng. Động năng (Ec) liên hệ với tốc độ, thế năng (Ep) với độ cao và nội năng (U) với chuyển động của các phân tử bên trong. Xem hình 4.

Nhiệt (Q):

Truyền nhiệt năng giữa hai vật có nhiệt độ khác nhau. Nhiệt được đo bằng Joule, BTU, pound-foot hoặc calo.

Nhiệt độ (T):

Nó là thước đo động năng của các nguyên tử hoặc phân tử tạo nên bất kỳ vật thể vật chất nào. Nó đo mức độ kích động của các phân tử bên trong của một vật thể, của năng lượng nhiệt của nó. Chuyển động của các phân tử càng lớn thì nhiệt độ càng cao. Nó được đo bằng độ C, độ Kelvin, độ Rankine hoặc độ F. Trong hình 5, sự tương đương giữa một số thang nhiệt độ được trình bày.

Nguyên lý nhiệt động lực học

Việc nghiên cứu sự biến đổi năng lượng trong nhiệt động lực học dựa trên bốn định luật. Định luật thứ nhất và thứ hai liên quan đến chất lượng và số lượng của năng lượng; trong khi định luật thứ ba và thứ tư liên quan đến các đặc tính nhiệt động lực học (nhiệt độ và entropi). Xem hình 6 và 7.

Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học:

Định luật đầu tiên thiết lập nguyên tắc bảo toàn năng lượng. Năng lượng có thể truyền từ cơ thể này sang cơ thể khác, hoặc chuyển sang dạng năng lượng khác, nhưng nó luôn được bảo toàn nên tổng năng lượng luôn không đổi.

Đường dốc trượt băng là một ví dụ điển hình về Quy luật Bảo toàn năng lượng, ở đó người ta thấy rằng năng lượng không được tạo ra hoặc bị phá hủy, mà được chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác. Đối với một vận động viên trượt băng nghệ thuật như trong hình 8, khi chỉ có lực hấp dẫn ảnh hưởng, chúng ta phải:

• Vị trí 1: Khi vận động viên trượt băng ở trên đỉnh của đoạn đường, anh ta có nội năng và thế năng bằng độ cao của anh ta, nhưng động năng của anh ta bằng không vì anh ta không chuyển động (tốc độ = 0 m / s).
• Vị trí 2: Khi vận động viên trượt băng bắt đầu trượt xuống đoạn đường nối, độ cao giảm, làm giảm nội năng và thế năng, nhưng lại tăng động năng khi tốc độ của anh ta tăng lên. Cơ năng chuyển hóa thành động năng. Khi vận động viên trượt băng đến điểm thấp nhất của đoạn đường (vị trí 2), thế năng của anh ta bằng 0 (độ cao = XNUMXm), đồng thời anh ta đạt được tốc độ cao nhất trong hành trình xuống dốc.
• Vị trí 3: Khi đoạn đường đi lên, vận động viên trượt băng mất tốc độ, giảm động năng, nhưng nội năng tăng và thế năng khi anh ta tăng độ cao.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học:

Định luật thứ hai liên quan đến "chất lượng" của năng lượng, trong việc tối ưu hóa việc chuyển đổi và / hoặc truyền năng lượng. Định luật này xác định rằng trong các quá trình thực, chất lượng năng lượng có xu hướng giảm. Định nghĩa về đặc tính nhiệt động lực học "entropy" được đưa ra. Trong các phát biểu của luật thứ hai, nó được thiết lập khi một quá trình có thể xảy ra và khi nó không thể xảy ra, ngay cả khi luật đầu tiên tiếp tục được thực hiện. Xem hình 9.

Luật số XNUMX:

Định luật 10 phát biểu rằng nếu hai hệ ở trạng thái cân bằng với một phần ba thì chúng ở trạng thái cân bằng với nhau. Ví dụ, đối với hình XNUMX, nếu A ở trạng thái cân bằng nhiệt với C và C ở trạng thái cân bằng nhiệt với B, thì A ở trạng thái cân bằng nhiệt với B.

Các khái niệm khác của Tnhiệt động lực học

Hệ thống

Một phần của vũ trụ được quan tâm hoặc nghiên cứu. Đối với tách cà phê trong Hình 11, "hệ thống" là nội dung của tách (cà phê) nơi có thể nghiên cứu sự truyền nhiệt năng. Xem hình 12. [4]

Môi trường

Nó là phần còn lại của vũ trụ bên ngoài hệ thống đang nghiên cứu. Trong hình 12, tách cà phê được coi là "biên giới" chứa cà phê (hệ thống) và những gì bên ngoài cốc (biên giới) là "môi trường" của hệ thống.

Cân bằng nhiệt động lực học

Trạng thái trong đó các thuộc tính của hệ thống được xác định rõ ràng và không thay đổi theo thời gian. Khi một hệ thống có trạng thái cân bằng nhiệt, cân bằng cơ học và cân bằng hóa học, hệ thống đó ở trạng thái "cân bằng nhiệt động". Ở trạng thái cân bằng, một hệ thống không thể thay đổi trạng thái của nó trừ khi có tác nhân bên ngoài tác động lên nó. Xem hình 13.

Tường

Thực thể cho phép hoặc ngăn cản các tương tác giữa các hệ thống. Nếu bức tường cho phép chất đi qua, nó được cho là bức tường thấm. Tường đoạn nhiệt là tường không cho phép truyền nhiệt giữa hai hệ thống. Khi bức tường cho phép truyền nhiệt năng, nó được gọi là bức tường diathermic. Xem hình 14.

Kết luận

Năng lượng là khả năng di chuyển vật chất. Điều này có thể được chuyển đổi bằng cách sửa đổi tình huống hoặc trạng thái của nó.

Nhiệt động lực học là một ngành khoa học nghiên cứu sự trao đổi và biến đổi của năng lượng trong các quá trình. Việc nghiên cứu sự biến đổi năng lượng trong nhiệt động lực học dựa trên bốn định luật. Định luật thứ nhất và thứ hai liên quan đến chất lượng và số lượng của năng lượng; trong khi định luật thứ ba và thứ tư liên quan đến các đặc tính nhiệt động lực học (nhiệt độ và entropi).

Nhiệt độ là thước đo mức độ giao động của các phân tử tạo nên một cơ thể, còn nhiệt là sự truyền nhiệt năng giữa hai cơ thể ở những nhiệt độ khác nhau.

Cân bằng nhiệt động học tồn tại khi hệ đồng thời ở trạng thái cân bằng nhiệt, cân bằng cơ và cân bằng hoá học.

Cảm ơn bạn lưu ý: Đối với sự phát triển của bài viết này, chúng tôi đã vinh dự nhận được lời khuyên của Ing. Marisol Pino, Chuyên gia về Điều khiển và Thiết bị Công nghiệp.