Tehniline termodünaamika uurib energia ja entroopia seost. See hõlmab tervet komplekti teooriaid, mis seovad mõõdetavaid makroskoopilisi omadusi (temperatuur, rõhk ja maht) energia ja selle töövõimega.
Sissejuhatus
Soojuse ja temperatuuri mõisted on tehnilise termodünaamika jaoks kõige olulisemad. Seda võib nimetada teaduseks kõigi temperatuurist ja selle muutustest sõltuvate nähtuste kohta. Statistilises füüsikas, mille osa see praegu on, on see üks suuremaid teooriaid, millel põhineb praegune arusaam ainest. Termodünaamiline süsteem on defineeritud kui kindla massi ja identsusega ainekogus. Kõik väljaspool seda on keskkond, millest ta on piiridega eraldatud. Tehnilise termodünaamika rakendused hõlmavad selliseid konstruktsioone nagu:
- kliimaseadmed ja külmikud;
- automootorite turbo- ja ülelaadurid;
- auruturbiinid elektrijaamades;
- reaktiivnelennukimootorid.
Kuumus ja temperatuur
Igal inimesel on intuitiivsed teadmised temperatuuri mõistest. Keha on kuum või külm, olenev alt sellest, kas selle temperatuur on enam-vähem kõrge. Kuid täpne määratlus on keerulisem. Klassikalises tehnilises termodünaamikas defineeriti keha absoluutne temperatuur. See viis Kelvini skaala loomiseni. Kõigi kehade minimaalne temperatuur on null kelvinit (-273, 15 °C). See on absoluutne null, mille kontseptsioon ilmus esmakordselt 1702. aastal tänu prantsuse füüsikule Guillaume Amontonile.
Kuumust on raskem määratleda. Tehniline termodünaamika tõlgendab seda kui juhuslikku energia ülekandmist süsteemist väliskeskkonda. See vastab liikuvate ja juhuslikele mõjudele allutatud molekulide kineetilisele energiale (Browni liikumine). Ülekantavat energiat nimetatakse mikroskoopilisel tasemel korratuks, mitte korrapäraseks, mis toimub töö kaudu makroskoopilisel tasandil.
Olukord
Aine olek on aine füüsikalise struktuuri tüübi kirjeldus. Sellel on omadused, mis kirjeldavad, kuidas materjal säilitab oma struktuuri. Aine olekuid on viis:
- gaas;
- vedelik;
- tugev keha;
- plasma;
- ülivedelik (kõige haruldasem).
Paljud ained võivad liikuda gaasi-, vedel- ja tahkefaasi vahel. Plasma on aine eriline oleknagu välk.
Soojusvõimsus
Soojusvõimsus (C) on soojuse muutumise (ΔQ, kus kreeka täht Delta tähistab kogust) ja temperatuuri muutuse (ΔT) suhe:
C=Δ Q / Δ T.
Ta näitab aine kuumutamise lihtsust. Heal soojusjuhil on madal mahtuvus. Tugev ja suure soojusmahtuvusega soojusisolaator.
Terminoloogia
Igal teadusel on oma ainulaadne sõnavara. Tehnilise termodünaamika põhimõisted hõlmavad järgmist:
- Soojusülekanne on temperatuuride vastastikune vahetus kahe aine vahel.
- Mikroskoopiline lähenemine – iga aatomi ja molekuli käitumise uurimine (kvantmehaanika).
- Makroskoopiline lähenemine – paljude osakeste üldise käitumise jälgimine.
- Termodünaamiline süsteem on uurimiseks valitud aine või ala hulk ruumis.
- Keskkond – kõik välised süsteemid.
- Juhtumine – soojus kandub läbi kuumutatud tahke keha.
- Konvektsioon – kuumutatud osakesed tagastavad soojuse teisele ainele.
- Kiirgus – soojus kandub üle elektromagnetlainete kaudu, näiteks päikeselt.
- Entroopia – termodünaamikas on füüsikaline suurus, mida kasutatakse isotermilise protsessi iseloomustamiseks.
Veel teaduse kohta
Terodünaamika kui eraldiseisva füüsika distsipliini tõlgendus ei ole täiesti õige. See mõjutab peaaegu kõikealad. Ilma süsteemi võimeta kasutada töö tegemiseks sisemist energiat poleks füüsikutel midagi uurida. Samuti on mõned väga kasulikud termodünaamika valdkonnad:
- Soojustehnika. See uurib kahte energiaülekande võimalust: tööd ja soojust. Seotud energiaülekande hindamisega masina tööaines.
- Krüofüüsika (krüogeenika) – teadus madalate temperatuuride kohta. Uurib ainete füüsikalisi omadusi tingimustes, mida kogetakse isegi Maa kõige külmemas piirkonnas. Selle näiteks on supervedelike uurimine.
- Hüdrodünaamika uurib vedelike füüsikalisi omadusi.
- Kõrgrõhkkonna füüsika. Uurib vedeliku dünaamikaga seotud ainete füüsikalisi omadusi ülikõrgsurvesüsteemides.
- Meteoroloogia on atmosfääri teaduslik uurimus, mis keskendub ilmastikuprotsessidele ja prognoosidele.
- Plasmafüüsika – aine uurimine plasma olekus.
Nullseadus
Tehnilise termodünaamika aine ja meetod on eksperimentaalsed vaatlused, mis on kirjutatud seaduste kujul. Termodünaamika nullseadus ütleb, et kui kahel kehal on kolmandaga sama temperatuur, on neil omakorda sama temperatuur üksteisega. Näiteks: üks vaseplokk viiakse termomeetriga kokku, kuni temperatuur on võrdne. Seejärel see eemaldatakse. Teine vaseplokk viiakse kokku sama termomeetriga. Kui elavhõbeda tase ei muutu, siis võime öelda, et mõlemad plokid on seestermomeetriga termiline tasakaal.
Esimene seadus
See seadus ütleb, et kui süsteemi olek muutub, võib energia ületada piiri kas soojuse või tööna. Igaüks neist võib olla positiivne või negatiivne. Süsteemi netoenergia muutus on alati võrdne netoenergiaga, mis ületab süsteemi piiri. Viimane võib olla sisemine, kineetiline või potentsiaalne.
Teine seadus
Seda kasutatakse konkreetse termilise protsessi toimumise suuna määramiseks. See termodünaamika seadus ütleb, et on võimatu luua seadet, mis töötab tsüklis ja ei tekita muud efekti peale soojuse ülekandmise madalama temperatuuriga keh alt kuumemale kehale. Seda nimetatakse mõnikord entroopia seaduseks, kuna see tutvustab seda olulist omadust. Entroopiat võib vaadelda kui mõõta, kui lähedal on süsteem tasakaalule või häirele.
Soojusprotsess
Süsteem läbib termodünaamilise protsessi, kui selles toimub mingisugune energiamuutus, mis on tavaliselt seotud rõhu, ruumala ja temperatuuri muutumisega. Eriomadustega on mitu konkreetset tüüpi:
- adiabaatiline - süsteemis soojusvahetus puudub;
- isokooriline – helitugevus ei muutu;
- isobaarne – rõhk ei muutu;
- isotermiline – temperatuur ei muutu.
Pööratavus
Pööratav protsess on selline, mis pärast selle toimumist võib ollatühistatud. See ei jäta muudatusi ei süsteemi ega keskkonda. Pööratavaks muutmiseks peab süsteem olema tasakaalus. On tegureid, mis muudavad protsessi pöördumatuks. Näiteks hõõrdumine ja kiire paisumine.
Rakendus
Kaasaegse inimkonna elu paljud aspektid on rajatud soojustehnika alustele. Nende hulka kuuluvad:
- Kõik sõidukid (autod, mootorrattad, kärud, laevad, lennukid jne) töötavad termodünaamika teise seaduse ja Carnot' tsükli alusel. Nad võivad kasutada bensiini- või diiselmootorit, kuid seadus jääb samaks.
- Õhu- ja gaasikompressorid, puhurid, ventilaatorid töötavad erinevatel termodünaamilistel tsüklitel.
- Soojusvahetust kasutatakse aurustites, kondensaatorites, radiaatorites, jahutites, kütteseadmetes.
- Külmikud, sügavkülmikud, tööstuslikud jahutussüsteemid, igat tüüpi kliimaseadmed ja soojuspumbad töötavad tänu teisele seadusele.
Tehniline termodünaamika hõlmab ka erinevat tüüpi elektrijaamade uurimist: soojus-, tuuma-, hüdroelektrijaamad, mis põhinevad taastuvatel energiaallikatel (nagu päike, tuul, maasoojus), looded, lained ja muud.
