Studiul relației dintre energie și entropie este ceea ce studiază termodinamica tehnică. Acesta cuprinde un întreg set de teorii care leagă proprietățile macroscopice măsurabile (temperatură, presiune și volum) cu energie și cu capacitatea acesteia de a lucra.
Introducere
Conceptele de căldură și temperatură sunt cele mai fundamentale pentru termodinamica tehnică. Poate fi numită știința tuturor fenomenelor care depind de temperatură și de modificările acesteia. În fizica statistică, din care acum face parte, este una dintre marile teorii pe care se bazează înțelegerea actuală a materiei. Un sistem termodinamic este definit ca o cantitate de materie cu o masă și identitate fixă. Tot ceea ce este exterior acestuia este mediul de care este separat prin granițe. Aplicațiile termodinamicii tehnice includ construcții precum:
- aparate de aer condiționat și frigidere;
- turbocompresoare și supraalimentare în motoarele de automobile;
- turbine cu abur în centrale electrice;
- reactivmotoare de avioane.
Căldură și temperatură
Fiecare persoană are o cunoaștere intuitivă a conceptului de temperatură. Corpul este cald sau rece, în funcție de faptul că temperatura lui este mai mult sau mai puțin ridicată. Dar definiția exactă este mai dificilă. În termodinamica tehnică clasică a fost definită temperatura absolută a unui corp. A dus la crearea scării Kelvin. Temperatura minimă pentru toate corpurile este zero Kelvin (-273, 15°C). Acesta este zero absolut, al cărui concept a apărut pentru prima dată în 1702 datorită fizicianului francez Guillaume Amonton.
Căldura este mai greu de definit. Termodinamica tehnică îl interpretează ca un transfer aleator de energie din sistem în mediul extern. Ea corespunde energiei cinetice a moleculelor care se deplasează și sunt supuse unor impacturi aleatorii (mișcarea browniană). Energia transmisă se numește dezordonată la nivel microscopic, spre deosebire de ordonată, realizată prin muncă la nivel macroscopic.
Starea problemei
O stare a materiei este o descriere a tipului de structură fizică pe care o prezintă o substanță. Are proprietăți care descriu modul în care un material își menține structura. Există cinci stări ale materiei:
- gaz;
- lichid;
- corp solid;
- plasmă;
- superfluid (cel mai rar).
Multe substanțe se pot deplasa între fazele gazoase, lichide și solide. Plasma este o stare specială a materieica fulgerul.
Capacitate termică
Capacitatea de căldură (C) este raportul dintre modificarea căldurii (ΔQ, unde caracterul grecesc Delta reprezintă cantitatea) și schimbarea temperaturii (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ea arată ușurința cu care substanța este încălzită. Un bun conductor termic are o capacitate scăzută. Izolator termic puternic, cu capacitate ridicată de căldură.
Terminologie
Fiecare știință are propriul vocabular unic. Conceptele de bază ale termodinamicii tehnice includ:
- Transferul de căldură este schimbul reciproc de temperaturi între două substanțe.
- Abordare microscopică - studiul comportamentului fiecărui atom și moleculă (mecanica cuantică).
- Abordare macroscopică - observarea comportamentului general al multor particule.
- Sistemul termodinamic este cantitatea de substanță sau zona din spațiu aleasă pentru cercetare.
- Mediu - toate sistemele externe.
- Conducție - căldura este transferată printr-un corp solid încălzit.
- Convecție - particulele încălzite returnează căldura unei alte substanțe.
- Radiații - căldura este transmisă prin unde electromagnetice, cum ar fi de la soare.
- Entropia - în termodinamică este o mărime fizică folosită pentru a caracteriza un proces izotermic.
Mai multe despre știință
Interpretarea termodinamicii ca disciplină separată a fizicii nu este în întregime corectă. Afectează aproape totulzone. Fără capacitatea sistemului de a folosi energia internă pentru a lucra, fizicienii nu ar avea nimic de studiat. Există, de asemenea, câteva domenii foarte utile ale termodinamicii:
- Inginerie termică. Studiază două posibilități de transfer de energie: lucru și căldură. Asociat cu evaluarea transferului de energie în substanța de lucru a mașinii.
- Cryophysics (criogenie) - știința temperaturilor scăzute. Explorează proprietățile fizice ale substanțelor în condiții experimentate chiar și în cea mai rece regiune a Pământului. Un exemplu în acest sens este studiul superfluidelor.
- Hidrodinamica este studiul proprietăților fizice ale lichidelor.
- Fizica presiunilor în alte. Explorează proprietățile fizice ale substanțelor din sistemele de presiune extrem de în altă legate de dinamica fluidelor.
- Meteorologia este studiul științific al atmosferei care se concentrează pe procesele meteorologice și prognoza.
- Fizica plasmatice - studiul materiei în starea plasmei.
Lege zero
Subiectul și metoda termodinamicii tehnice sunt observații experimentale scrise sub formă de legi. Legea zero a termodinamicii spune că atunci când două corpuri au aceeași temperatură cu un al treilea, ele la rândul lor au aceeași temperatură unul cu celăl alt. De exemplu: un bloc de cupru este adus în contact cu un termometru până când temperatura este egală. Apoi este îndepărtat. Al doilea bloc de cupru este adus în contact cu același termometru. Dacă nu există nicio modificare a nivelului de mercur, atunci putem spune că ambele blocuri sunt înechilibru termic cu un termometru.
Prima lege
Această lege prevede că, pe măsură ce sistemul suferă o schimbare de stare, energia poate traversa granița fie ca căldură, fie ca lucru. Fiecare dintre ele poate fi pozitiv sau negativ. Modificarea netă de energie a unui sistem este întotdeauna egală cu energia netă care traversează limita sistemului. Acesta din urmă poate fi intern, cinetic sau potențial.
A doua lege
Este folosit pentru a determina direcția în care poate avea loc un anumit proces termic. Această lege a termodinamicii afirmă că este imposibil să se creeze un dispozitiv care să funcționeze într-un ciclu și să nu producă niciun alt efect decât transferul de căldură de la un corp cu o temperatură mai scăzută către un corp mai fierbinte. Uneori este numită legea entropiei deoarece introduce această proprietate importantă. Entropia poate fi considerată ca o măsură a cât de aproape este un sistem de echilibru sau dezordine.
Proces termic
Sistemul suferă un proces termodinamic atunci când are loc un fel de schimbare de energie în el, de obicei asociată cu transformarea presiunii, volumului, temperaturii. Există mai multe tipuri specifice cu proprietăți speciale:
- adiabatic - fără schimb de căldură în sistem;
- izochoric - nicio modificare a volumului;
- izobar - nicio modificare a presiunii;
- izotermă - nicio modificare a temperaturii.
Reversibilitate
Un proces reversibil este unul care, după ce a avut loc, poate fianulat. Nu lasă modificări nici în sistem, nici în mediu. Pentru a fi reversibil, sistemul trebuie să fie în echilibru. Există factori care fac procesul ireversibil. De exemplu, frecare și expansiune eliberată.
Aplicație
Multe aspecte ale vieții omenirii moderne sunt construite pe bazele ingineriei termice. Acestea includ:
- Toate vehiculele (mașini, motociclete, căruțe, nave, avioane etc.) funcționează pe baza celei de-a doua legi a termodinamicii și a ciclului Carnot. Pot folosi un motor pe benzină sau diesel, dar legea rămâne aceeași.
- Compresoarele de aer și gaz, suflantele, ventilatoarele funcționează în diferite cicluri termodinamice.
- Schimbul de căldură este utilizat în evaporatoare, condensatoare, radiatoare, răcitoare, încălzitoare.
- Frigiderele, congelatoarele, sistemele frigorifice industriale, toate tipurile de sisteme de aer condiționat și pompele de căldură funcționează datorită celei de-a doua legi.
Termodinamica tehnică include și studiul diferitelor tipuri de centrale electrice: termice, nucleare, hidroelectrice, bazate pe surse de energie regenerabilă (cum ar fi solar, eolian, geotermal), maree, valuri și altele.
