Proučavanje odnosa između energije i entropije ono je što proučava tehnička termodinamika. Obuhvaća cijeli niz teorija koje povezuju mjerljiva makroskopska svojstva (temperaturu, tlak i volumen) s energijom i njezinom sposobnošću da obavlja rad.
Uvod
Koncepti topline i temperature najosnovniji su za tehničku termodinamiku. Može se nazvati znanošću o svim pojavama koje ovise o temperaturi i njezinim promjenama. U statističkoj fizici, čiji je sada dio, to je jedna od velikih teorija na kojima se temelji današnje razumijevanje materije. Termodinamički sustav definira se kao količina materije fiksne mase i identiteta. Sve što je izvan njega okruženje je od kojega je odvojeno granicama. Primjene tehničke termodinamike uključuju konstrukcije kao što su:
- klima uređaji i hladnjaci;
- turbopunjači i kompresori u automobilskim motorima;
- parne turbine u elektranama;
- reaktivnomotori zrakoplova.
toplina i temperatura
Svaka osoba ima intuitivno znanje o pojmu temperature. Tijelo je vruće ili hladno, ovisno o tome je li mu temperatura više ili manje visoka. Ali točna definicija je teža. U klasičnoj tehničkoj termodinamici definirana je apsolutna temperatura tijela. To je dovelo do stvaranja Kelvinove ljestvice. Minimalna temperatura za sva tijela je nula Kelvina (-273, 15°C). Ovo je apsolutna nula, čiji se koncept prvi put pojavio 1702. zahvaljujući francuskom fizičaru Guillaumeu Amontonu.
Teže je definirati toplinu. Tehnička termodinamika to tumači kao slučajni prijenos energije iz sustava u vanjsko okruženje. Odgovara kinetičkoj energiji molekula koje se kreću i podliježu nasumičnim udarima (Brownovsko gibanje). Prenošena energija se naziva neuređenom na mikroskopskoj razini, za razliku od uređene, koja se obavlja kroz rad na makroskopskoj razini.
Stanje stvari
Stanje materije je opis vrste fizičke strukture koju tvar pokazuje. Ima svojstva koja opisuju kako materijal održava svoju strukturu. Postoji pet stanja materije:
- gas;
- tekućina;
- čvrsto tijelo;
- plazma;
- superfluid (najrjeđi).
Mnoge tvari mogu se kretati između plinovite, tekuće i čvrste faze. Plazma je posebno stanje materijepoput munje.
Kapacitet topline
Toplinski kapacitet (C) je omjer promjene topline (ΔQ, gdje grčki znak Delta označava količinu) i promjene temperature (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ona pokazuje lakoću s kojom se tvar zagrijava. Dobar toplinski vodič ima nisku ocjenu kapacitivnosti. Snažan toplinski izolator s visokim toplinskim kapacitetom.
Terminologija
Svaka znanost ima svoj jedinstveni vokabular. Osnovni koncepti tehničke termodinamike uključuju:
- Prijenos topline je međusobna izmjena temperatura između dvije tvari.
- Mikroskopski pristup - proučavanje ponašanja svakog atoma i molekule (kvantna mehanika).
- Makroskopski pristup - promatranje općeg ponašanja mnogih čestica.
- Termodinamički sustav je količina tvari ili područja u prostoru odabrana za istraživanje.
- Okoliš - svi vanjski sustavi.
- Provodljivost - toplina se prenosi kroz zagrijano čvrsto tijelo.
- Konvekcija - zagrijane čestice vraćaju toplinu drugoj tvari.
- Zračenje - toplina se prenosi putem elektromagnetskih valova, kao što je od sunca.
- Entropija - u termodinamici je fizička veličina koja se koristi za karakterizaciju izotermnog procesa.
Više o znanosti
Tumačenje termodinamike kao zasebne discipline fizike nije sasvim točno. Utječe na gotovo svepodručja. Bez sposobnosti sustava da koristi unutarnju energiju za obavljanje posla, fizičari ne bi imali što proučavati. Postoje i neka vrlo korisna područja termodinamike:
- Inženjering topline. Proučava dvije mogućnosti prijenosa energije: rad i toplinu. Povezano s procjenom prijenosa energije u radnoj tvari stroja.
- Kriofizika (kriogenika) - znanost o niskim temperaturama. Istražuje fizička svojstva tvari u uvjetima čak iu najhladnijem dijelu Zemlje. Primjer za to je proučavanje superfluida.
- Hidrodinamika je proučavanje fizičkih svojstava tekućina.
- Fizika visokih pritisaka. Istražuje fizička svojstva tvari u sustavima s iznimno visokim tlakom povezanim s dinamikom fluida.
- Meteorologija je znanstvena studija atmosfere koja se fokusira na vremenske procese i prognoze.
- Fizika plazme - proučavanje materije u stanju plazme.
Nulti zakon
Predmet i metoda tehničke termodinamike su eksperimentalna opažanja zapisana u obliku zakona. Nulti zakon termodinamike kaže da kada dva tijela imaju istu temperaturu s trećim, oni zauzvrat imaju istu temperaturu jedno s drugim. Na primjer: jedan bakreni blok se dovodi u kontakt s termometrom dok temperatura ne bude jednaka. Zatim se uklanja. Drugi blok bakra dovodi se u kontakt s istim termometrom. Ako nema promjene u razini žive, onda možemo reći da su oba bloka unutratoplinska ravnoteža s termometrom.
Prvi zakon
Ovaj zakon kaže da kako sustav prolazi kroz promjenu stanja, energija može prijeći granicu ili kao toplina ili kao rad. Svaki od njih može biti pozitivan ili negativan. Promjena neto energije sustava uvijek je jednaka neto energiji koja prelazi granicu sustava. Potonji može biti unutarnji, kinetički ili potencijalni.
Drugi zakon
Upotrebljava se za određivanje smjera u kojem se određeni toplinski proces može odvijati. Ovaj zakon termodinamike kaže da je nemoguće stvoriti uređaj koji radi u ciklusu i ne proizvodi nikakav učinak osim prijenosa topline s tijela s nižom temperaturom na toplije tijelo. Ponekad se naziva i zakon entropije jer uvodi ovo važno svojstvo. Entropija se može smatrati mjerom koliko je sustav blizu ravnoteži ili neredu.
Termički proces
Sustav prolazi termodinamički proces kada se u njemu dogodi neka vrsta energetske promjene, obično povezana s transformacijom tlaka, volumena, temperature. Postoji nekoliko specifičnih tipova s posebnim svojstvima:
- adijabatski - nema izmjene topline u sustavu;
- izohorni - bez promjene glasnoće;
- izobarični - nema promjene tlaka;
- izotermno - bez promjene temperature.
Reverzibilnost
Reverzibilni proces je onaj koji, nakon što se dogodi, može bitiotkazan. Ne ostavlja nikakve promjene ni u sustavu ni u okruženju. Da bi bio reverzibilan, sustav mora biti u ravnoteži. Postoje čimbenici koji proces čine nepovratnim. Na primjer, trenje i brzo širenje.
Prijava
Mnogi aspekti života modernog čovječanstva izgrađeni su na temeljima toplinske tehnike. To uključuje:
- Sva vozila (automobili, motocikli, kolica, brodovi, avioni itd.) rade na temelju drugog zakona termodinamike i Carnotovog ciklusa. Mogu koristiti benzinski ili dizel motor, ali zakon ostaje isti.
- Kompresori zraka i plina, puhala, ventilatori rade na različitim termodinamičkim ciklusima.
- Izmjena topline se koristi u isparivačima, kondenzatorima, radijatorima, hladnjacima, grijačima.
- Hladnjaci, zamrzivači, industrijski rashladni sustavi, sve vrste klimatizacijskih sustava i toplinskih pumpi rade po drugom zakonu.
Tehnička termodinamika također uključuje proučavanje različitih tipova elektrana: toplinskih, nuklearnih, hidroelektričnih, temeljenih na obnovljivim izvorima energije (kao što su solarna, vjetar, geotermalna), plima, valovi i drugi.
