Technická termodynamika: základní pojmy. Co studuje technická termodynamika

Zkoumání vztahu mezi energií a entropií studuje technická termodynamika. Zapouzdřuje celou řadu teorií, které mapují makroskopické vlastnosti, které lze měřit (teplota ,tlak a objem) s energií a její schopností vykonávat práci.

Úvod

Pojmy tepla a teploty jsou pro technickou termodynamiku nejzákladnější. Lze ji nazvat vědou o všech jevech, které závisí na teplotě a jejích změnách. Ve statistické fyzice, jejíž je nyní součástí, je to jedna z velkých teorií, na nichž je založeno současné chápání hmoty. Termodynamický systém je definován jako množství hmoty pevné hmoty a identity. Všechno vnější k ní je prostředí, od kterého je odděleno hranicemi. Aplikace technické termodynamiky zahrnuje návrhy jako:

• klimatizace a ledničky;
• turbodmychadla a kompresory v automobilových motorech;
• parní turbíny v elektrárnách;
• proudové motory v letadlech.

Teplo a teplota

Každý člověk má intuitivní znalost pojmu teplota. Tělo je horké nebo studené, zda je jeho teplota více či méně vysoká. Přesná definice je však složitější. V klasické technické termodynamice byla dána definice absolutní teplota těla. Vedlo to k vytvoření kelvinského měřítka. Minimální teplota pro všechna těla je Kelvinova nula (-273,15°C). Je to absolutní nula, jejíž koncept se poprvé objevil v roce 1702 díky Francouzskému fyzikovi Guillaume Amontonovi.

Teplo je těžší určit. Technická termodynamika to interpretuje jako neuspořádaný přenos energie ze systému do vnějšího prostředí. Odpovídá kinetické energii molekul pohybujících se a vystavených náhodným nárazům (Brownův pohyb). Přenášená energie se nazývá neuspořádaná na mikroskopické úrovni, na rozdíl od uspořádané, prováděné prací na makroskopické úrovni.

Stav látky

Stav hmoty je popis typu fyzické struktury, kterou látka vykazuje. Má vlastnosti popisující, jak si materiál udržuje svou strukturu. Existuje pět stavů hmoty:

• plyn;
• kapalina;
• pevné těleso;
• plazma;
• superfluidní (nejvzácnější).

Mnoho látek může přecházet mezi plynnou, kapalnou a pevnou fází. Plazma je zvláštní stav hmoty, jako je blesk.

Tepelná kapacita

Tepelná kapacita (C) je poměr změny tepla (ΔQ, kde řecký symbol Delta označuje množství) ke změně teploty (ΔT):

C = Δ Q / Δ T.

Ukazuje snadnost, s jakou se látka zahřívá. Dobrý termální vodič má nízkou kapacitu. Silný tepelný izolátor má vysokou tepelnou kapacitu.

Terminologie

Každá věda má svůj vlastní jedinečný slovník. Mezi základní pojmy technické termodynamiky patří:

1. Výměna tepla - vzájemná výměna teplot mezi dvěma látkami.
2. Mikroskopický přístup-studium chování každého atomu a molekuly (kvantová mechanika).
3. Makroskopický přístup-pozorování celkového chování více částic.
4. Termodynamický systém - množství hmoty nebo oblast v prostoru vybraná pro výzkum.
5. Prostředí - všechny externí systémy.
6. Vodivost-teplo se přenáší vyhřívanou pevnou látkou.
7. Konvekce-zahřáté částice vracejí teplo jiné látce.
8. Záření-teplo je přenášeno elektromagnetickými vlnami, například ze slunce.
9. Entropie-v termodynamice je fyzikální veličina používaná k charakterizaci izotermického procesu.

Více o vědě

Interpretace termodynamiky jako samostatné disciplíny fyziky není zcela pravdivá. Ovlivňuje téměř všechny oblasti. Bez schopnosti systému využívat vnitřní energii k výkonu práce by fyzici neměli co studovat. Existuje také několik velmi užitečných oblastí termodynamiky:

1. Tepelná technika. Zkoumá dvě možnosti přenosu energie: práci a teplo. Souvisí s hodnocením přenosu energie v pracovní látce stroje.
2. Kryofyzika ( kryogenika) - věda o nízkých teplotách. Zkoumá fyzikální vlastnosti látek v podmínkách, které zažívají i v nejchladnější oblasti země. Příkladem toho je studium superfluidních látek.
3. Dynamika tekutin-studium fyzikálních vlastností tekutin.
4. Fyzika vysokých tlaků. Zkoumá fyzikální vlastnosti látek v extrémně vysokotlakých systémech spojených s dynamikou tekutin.
5. Meteorologie - vědecké studium atmosféry, které se zaměřuje na povětrnostní procesy a předpovědi.
6. Fyzika plazmy-zkoumání hmoty v plazmatickém stavu.

Nulový zákon

Předmět a metoda technické termodynamiky jsou experimentální pozorování zaznamenaná jako zákony. Nulový zákon termodynamiky uvádí: když mají dvě těla teplotní rovnost s třetí, mají zase teplotní rovnost mezi sebou. Například: jeden blok mědi je přiveden do kontaktu s teploměrem do takového stavu, dokud není stanovena rovnost teploty. Poté se odstraní. Druhá jednotka mědi je v kontaktu se stejným teploměrem. Pokud nedojde ke změně hladiny rtuti, lze říci, že obě jednotky jsou v tepelné rovnováze s teploměrem.

První zákon

Tento zákon říká: protože systém prochází změnou stavu, může energie překročit hranici buď jako teplo, nebo jako práce. Každá z nich může být pozitivní nebo negativní. Čistá změna energie systému se vždy rovná čisté energii, která překračuje hranici systému. Ten může být vnitřní, kinetický nebo potenciální.

Druhý zákon

Používá se k určení směru, kterým může dojít ke konkrétnímu tepelnému procesu. Tento zákon termodynamiky uvádí: není možné vytvořit zařízení, které pracuje v cyklu a nemá žádný účinek kromě přenosu tepla z těla s nízkou teplotou do teplejšího těla. Někdy se nazývá zákon entropie, protože zavádí to je důležité vlastnost. Entropii lze považovat za měřítko toho, jak blízko je systém rovnováze nebo nepořádku.

Tepelný proces

Systém prochází termodynamickým procesem, když dojde k nějaké energetické změně, obvykle spojené s transformací tlaku, objemu, teploty. Existuje několik specifických typů se zvláštními vlastnostmi:

• adiabatický - bez výměny tepla v systému;
• izochorny-beze změny objemu;
• isobar - beze změny tlaku;
• izotermický-beze změny teploty.

Vratnost

Za reverzibilní se považuje proces, který lze po uskutečnění zrušit. Nezanechává žádné změny v systému ani v životní prostředí. Aby byl systém reverzibilní, musí být v rovnováze. Existují takové faktory, které činí proces nevratným. Například tření a nekontrolovatelná expanze.

Uplatnění

Mnoho aspektů života moderního lidstva je postaveno na základech tepelného inženýrství. Patří mezi ně:

1. Všechna vozidla (Auta, Motocykly, vozíky, lodě, letadla atd.) pracují na základě druhého zákona termodynamiky a Carnotova cyklu. Mohou používat benzínový nebo dieselový motor, ale zákon zůstává stejný.
2. Vzduchové a plynové kompresory, dmychadla, ventilátory pracují na různých termodynamických cyklech.
3. Výměna tepla se používá ve výparnících, kondenzátorech, radiátorech, chladičích, ohřívačích.
4. Chladničky, mrazničky, průmyslové chladicí systémy, všechny typy klimatizační zařízení vzduchová a tepelná čerpadla fungují díky druhému zákonu.

Technická termodynamika zahrnuje také studium různých typů elektráren: tepelné, jaderné, vodní elektrárny, založené na obnovitelných zdrojích energie (jako je sluneční, větrná, geotermální), přílivy a odlivy, vlny a další.