De studie van de relatie tussen energie en entropie is wat technische thermodynamica bestudeert. Het omvat een hele reeks theorieën die meetbare macroscopische eigenschappen (temperatuur, druk en volume) relateren aan energie en het vermogen om werk te doen.
Inleiding
De concepten warmte en temperatuur zijn de meest fundamentele voor technische thermodynamica. Het kan de wetenschap worden genoemd van alle verschijnselen die afhankelijk zijn van temperatuur en de veranderingen ervan. In de statistische fysica, waar het nu een onderdeel van is, is het een van de grote theorieën waarop het huidige begrip van materie is gebaseerd. Een thermodynamisch systeem wordt gedefinieerd als een hoeveelheid materie met een vaste massa en identiteit. Alles daarbuiten is de omgeving waarvan het door grenzen is gescheiden. Toepassingen van technische thermodynamica omvatten constructies zoals:
- airconditioners en koelkasten;
- turbochargers en superchargers in automotoren;
- stoomturbines in energiecentrales;
- reactiefvliegtuigmotoren.
Warmte en temperatuur
Iedereen heeft een intuïtieve kennis van het begrip temperatuur. Het lichaam is warm of koud, afhankelijk van of de temperatuur min of meer hoog is. Maar de exacte definitie is moeilijker. In de klassieke technische thermodynamica werd de absolute temperatuur van een lichaam gedefinieerd. Het leidde tot de creatie van de Kelvin-schaal. De minimumtemperatuur voor alle lichamen is nul Kelvin (-273, 15°C). Dit is het absolute nulpunt, waarvan het concept voor het eerst verscheen in 1702 dankzij de Franse natuurkundige Guillaume Amonton.
Warmte is moeilijker te definiëren. Technische thermodynamica interpreteert het als een willekeurige overdracht van energie van het systeem naar de externe omgeving. Het komt overeen met de kinetische energie van moleculen die bewegen en worden onderworpen aan willekeurige schokken (Brownse beweging). De overgedragen energie wordt wanordelijk genoemd op microscopisch niveau, in tegenstelling tot ordelijk, gedaan door werk op macroscopisch niveau.
Staat van de zaak
Een toestand van materie is een beschrijving van het type fysieke structuur dat een stof vertoont. Het heeft eigenschappen die beschrijven hoe een materiaal zijn structuur behoudt. Er zijn vijf toestanden van materie:
- gas;
- vloeistof;
- vast lichaam;
- plasma;
- superfluïde (de zeldzaamste).
Veel stoffen kunnen bewegen tussen gas, vloeibare en vaste fasen. Plasma is een speciale toestand van materieals bliksem.
Warmtecapaciteit
Warmtecapaciteit (C) is de verhouding tussen verandering in warmte (ΔQ, waar het Griekse karakter Delta staat voor hoeveelheid) en verandering in temperatuur (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ze laat zien met welk gemak de stof wordt verwarmd. Een goede thermische geleider heeft een lage capaciteitsclassificatie. Sterke warmte-isolator met hoge warmtecapaciteit.
Terminologie
Elke wetenschap heeft zijn eigen unieke woordenschat. De basisconcepten van technische thermodynamica omvatten:
- Warmteoverdracht is de onderlinge uitwisseling van temperaturen tussen twee stoffen.
- Microscopische benadering - de studie van het gedrag van elk atoom en molecuul (kwantummechanica).
- Macroscopische benadering - observatie van het algemene gedrag van veel deeltjes.
- Thermodynamisch systeem is de hoeveelheid stof of gebied in de ruimte die is gekozen voor onderzoek.
- Omgeving - alle externe systemen.
- Geleiding - warmte wordt overgedragen door een verwarmd vast lichaam.
- Convectie - verwarmde deeltjes geven warmte terug aan een andere stof.
- Straling - warmte wordt overgedragen via elektromagnetische golven, zoals van de zon.
- Entropie - in de thermodynamica is een fysieke grootheid die wordt gebruikt om een isotherm proces te karakteriseren.
Meer over wetenschap
De interpretatie van thermodynamica als een aparte discipline van de natuurkunde is niet helemaal correct. Het beïnvloedt bijna allesgebieden. Zonder het vermogen van het systeem om interne energie te gebruiken om werk te doen, zouden natuurkundigen niets hebben om te studeren. Er zijn ook enkele zeer nuttige gebieden van thermodynamica:
- Warmtetechniek. Het bestudeert twee mogelijkheden van energieoverdracht: arbeid en warmte. Geassocieerd met de beoordeling van energieoverdracht in de werkende substantie van de machine.
- Cryofysica (cryogenics) - de wetenschap van lage temperaturen. Onderzoekt de fysieke eigenschappen van stoffen onder omstandigheden die zelfs in de koudste regio's van de aarde worden ervaren. Een voorbeeld hiervan is de studie van supervloeistoffen.
- Hydrodynamica is de studie van de fysische eigenschappen van vloeistoffen.
- Fysica van hoge drukken. Onderzoekt de fysische eigenschappen van stoffen in extreem hogedruksystemen met betrekking tot vloeistofdynamica.
- Meteorologie is de wetenschappelijke studie van de atmosfeer die zich richt op weersprocessen en voorspellingen.
- Plasmafysica - de studie van materie in de plasmatoestand.
Nulwet
Het onderwerp en de methode van technische thermodynamica zijn experimentele observaties geschreven in de vorm van wetten. De nulde wet van de thermodynamica stelt dat wanneer twee lichamen dezelfde temperatuur hebben met een derde, ze op hun beurt dezelfde temperatuur met elkaar hebben. Bijvoorbeeld: een blok koper wordt in contact gebracht met een thermometer totdat de temperatuur gelijk is. Daarna wordt het verwijderd. Het tweede blok koper wordt in contact gebracht met dezelfde thermometer. Als er geen verandering is in het kwikniveau, dan kunnen we zeggen dat beide blokken inthermisch evenwicht met een thermometer.
Eerste Wet
Deze wet stelt dat wanneer het systeem een toestandsverandering ondergaat, energie de grens kan overschrijden, hetzij als warmte of als werk. Elk van hen kan positief of negatief zijn. De netto energieverandering van een systeem is altijd gelijk aan de netto energie die de grens van het systeem overschrijdt. Dit laatste kan intern, kinetisch of potentieel zijn.
Tweede Wet
Het wordt gebruikt om de richting te bepalen waarin een bepaald thermisch proces kan plaatsvinden. Deze wet van de thermodynamica stelt dat het onmogelijk is om een apparaat te maken dat in een cyclus werkt en geen ander effect heeft dan het overbrengen van warmte van een lichaam met een lagere temperatuur naar een heter lichaam. Het wordt soms de wet van entropie genoemd omdat het deze belangrijke eigenschap introduceert. Entropie kan worden gezien als een maatstaf voor hoe dicht een systeem bij evenwicht of wanorde is.
Thermisch proces
Het systeem ondergaat een thermodynamisch proces wanneer er een soort energieverandering optreedt, meestal geassocieerd met de transformatie van druk, volume en temperatuur. Er zijn verschillende specifieke typen met speciale eigenschappen:
- adiabatisch - geen warmte-uitwisseling in het systeem;
- isochoric - geen verandering in volume;
- isobaar - geen verandering in druk;
- isotherm - geen verandering in temperatuur.
Omkeerbaarheid
Een omkeerbaar proces is een proces dat, nadat het heeft plaatsgevonden, kan wordengeannuleerd. Het laat geen veranderingen achter in het systeem of in de omgeving. Om omkeerbaar te zijn, moet het systeem in evenwicht zijn. Er zijn factoren die het proces onomkeerbaar maken. Bijvoorbeeld wrijving en op hol geslagen expansie.
Toepassing
Veel aspecten van het leven van de moderne mensheid zijn gebouwd op de fundamenten van warmtetechniek. Deze omvatten:
- Alle voertuigen (auto's, motorfietsen, karren, schepen, vliegtuigen, enz.) werken op basis van de tweede wet van de thermodynamica en de Carnot-cyclus. Ze kunnen een benzine- of dieselmotor gebruiken, maar de wet blijft hetzelfde.
- Lucht- en gascompressoren, blowers, ventilatoren werken op verschillende thermodynamische cycli.
- Warmteuitwisseling wordt gebruikt in verdampers, condensors, radiatoren, koelers, verwarmers.
- Koelkasten, diepvriezers, industriële koelsystemen, alle soorten airconditioningsystemen en warmtepompen werken volgens de tweede wet.
Technische thermodynamica omvat ook de studie van verschillende soorten energiecentrales: thermisch, nucleair, hydro-elektrisch, gebaseerd op hernieuwbare energiebronnen (zoals zon, wind, geothermie), getijden, golven en andere.
