Техническая термодинамика: основные понятия. Что изучает техническая термодинамика

Обсудить Редактировать статью
 

Исследование взаимосвязи между энергией и энтропией - это то, что изучает техническая термодинамика. Она заключает в себе целый набор теорий, которые сопоставляют макроскопические свойства, поддающиеся измерению (температуру, давление и объем) с энергией и ее возможностью выполнения работы.

Введение

Понятия тепла и температуры являются наиболее фундаментальными для технической термодинамики. Ее можно назвать наукой обо всех явлениях, которые зависят от температуры и ее изменений. В статистической физике, частью которой она сейчас является, это одна из великих теорий, на которых основано нынешнее понимание материи. Термодинамическая система определяется как количество вещества фиксированной массы и идентичности. Все внешнее по отношению к ней является окружением, от которого она отделена границами. Применение технической термодинамики включает такие конструкции, как:

  • кондиционеры и холодильники;
  • турбонагнетатели и нагнетатели в автомобильных двигателях;
  • паровые турбины на электростанциях;
  • реактивные двигатели в самолетах.
Генерируемая энергия

Тепло и температура

У каждого человека есть интуитивное знание понятия температуры. Тело горячее или холодное, в зависимости от того, является ли его температура более или менее высокой. Но точное определение сложнее. В классической технической термодинамике было дано определение абсолютной температуры тела. Оно привело к созданию кельвинского масштаба. Минимальная температура для всех тел - ноль Кельвина (-273,15°С). Это абсолютный ноль, концепция которого впервые появилась в 1702 году благодаря французскому физику Гийому Амонтону.

Тепло труднее определить. Техническая термодинамика истолковывает его как беспорядочную передачу энергии из системы во внешнюю среду. Оно соответствует кинетической энергии молекул, движущихся и подвергающихся случайным ударам (броуновское движение). Передаваемая энергия называется беспорядочной на микроскопическом уровне, в отличие от упорядоченной, выполненной через работу на макроскопическом уровне.

Термодинамика жидкости

Состояние вещества

Состояние материи - это описание типа физической структуры, которую проявляет субстанция. Оно обладает свойствами, описывающими, как материал поддерживает свою структуру. Есть пять состояний материи:

  • газ;
  • жидкость;
  • твердое тело;
  • плазма;
  • сверхтекучее (самое редкое).

Многие вещества могут переходить между газовой, жидкой и твердой фазами. Плазма - это особое состояние вещества, такое как молния.

Тепловая емкость

Теплоемкость (С) представляет собой соотношение изменения теплоты (ΔQ, где греческий символ Дельта обозначает количество) к изменению температуры (ΔT):

C = Δ Q / Δ T.

Она показывает легкость, с которой вещество нагревается. Хороший термальный проводник имеет низкий показатель емкости. Сильный теплоизолятор обладает высокой теплоемкостью.

Термодинамика газа

Терминология

Каждая наука имеет свой уникальный словарь. К основным понятиям технической термодинамики относятся:

  1. Теплообмен - взаимный обмен температур между двумя веществами.
  2. Микроскопический подход - изучение поведения каждого атома и молекулы (квантовая механика).
  3. Макроскопический подход - наблюдение за общим поведением множества частиц.
  4. Термодинамическая система - количество вещества или область в пространстве, выбранная для исследования.
  5. Окружение - все внешние системы.
  6. Кондукция - тепло передается через нагретое твердое тело.
  7. Конвекция - нагретые частицы возвращают тепло другому веществу.
  8. Излучение - нагрев передается через электромагнитные волны, например, от солнца.
  9. Энтропия - в термодинамике является физической величиной, используемой для характеристики изотермического процесса.
Неравномерный теплообмен

Подробнее о науке

Трактовка термодинамики как отдельной дисциплины физики не совсем верна. Она затрагивает практически все области. Без способности системы использовать внутреннюю энергию для выполнения работы физикам было бы нечего изучать. Также существуют несколько очень полезных сфер термодинамики:

  1. Теплотехника. Изучает две возможности передачи энергии: работу и тепло. Связана с оценкой переноса энергии в рабочем веществе машины.
  2. Криофизика (криогеника) - наука низких температур. Исследует физические свойства веществ в условиях, испытываемых даже в самом холодном регионе Земли. Примером этого является изучение сверхтекучих веществ.
  3. Гидродинамика - изучение физических свойств жидкостей.
  4. Физика высоких давлений. Исследует физические свойства веществ в системах чрезвычайно высоких давлений, связанных с динамикой жидкости.
  5. Метеорология - научное изучение атмосферы, которое фокусируется на погодных процессах и прогнозировании.
  6. Физика плазмы - исследование вещества в плазменном состоянии.
Солнечная теплоотдача

Нулевой закон

Предмет и метод технической термодинамики - это экспериментальные наблюдения, записанные в виде законов. Нулевой закон термодинамики утверждает: когда два тела имеют равенство температуры с третьим, они в свою очередь имеют равенство температуры друг с другом. Например: один блок меди вводится в контакт с термометром до такого состояния, пока не будет установлено равенство температуры. Затем удаляется. Второй блок меди приводится в контакт с таким же термометром. Если при этом не происходит изменения уровня ртути, то можно сказать, что оба блока находятся в тепловом равновесии с термометром.

Первый закон

Этот закон гласит: поскольку система претерпевает изменение состояния, энергия может пересекать границу либо как тепло, либо как работа. Каждая из них может быть положительной или отрицательной. Чистое изменение энергии системы всегда равно чистой энергии, которая пересекает границу системы. Последняя может быть внутренней, кинетической или потенциальной.

Применение термодинамики

Второй закон

Он используется для определения направления, в котором может происходить конкретный тепловой процесс. Этот закон термодинамики утверждает: невозможно создать устройство, которое работает в цикле и не производит никакого эффекта, кроме передачи тепла от тела с низкой температурой к более горячему телу. Его иногда называют законом энтропии, поскольку он вводит это важное свойство. Энтропия может рассматриваться как мера того, насколько система близка к равновесию или беспорядку.

Тепловой процесс

Система подвергается термодинамическому процессу, когда в ней происходит какое-то энергетическое изменение, обычно связанное с трансформацией давления, объема, температуры. Существует несколько специфических типов, обладающих особыми свойствами:

  • адиабатический - без теплообмена в системе;
  • изохорный - без изменения объема;
  • изобарный - без изменения давления;
  • изотермический - без изменения температуры.

Обратимость

Обратимым считается процесс, который, после того как состоялся, может быть отменен. Он не оставляет никаких изменений ни в системе, ни в окружающей среде. Чтобы быть обратимой, система должна находиться в равновесии. Существуют такие факторы, которые делают процесс необратимым. Например, трение и безудержное расширение.

Термодинамика твердых тел

Применение

Многие аспекты жизнедеятельности современного человечества построены на основах теплотехники. К ним относятся:

  1. Все транспортные средства (автомобили, мотоциклы, тележки, корабли, самолеты и др.) работают на основании второго закона термодинамики и цикла Карно. Они могут использовать бензиновый или дизельный двигатель, но закон остается прежним.
  2. Воздушные и газовые компрессоры, воздуходувки, вентиляторы работают на различном термодинамический цикле.
  3. Теплообмен используется в испарителях, конденсаторах, радиаторах, охладителях, подогревателях.
  4. Холодильники, морозильники, промышленные системы рефрижерации, все типы систем кондиционирования воздуха и тепловые насосы работают благодаря второму закону.

Техническая термодинамика включает также изучение различных типов электростанций: тепловые, атомные, гидроэлектростанции, на основе возобновляемых источников энергии (таких как солнечная, ветровая, геотермальная), приливов, волн и других.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Добавить смайл
  • :smile:
  • :wink:
  • :frowning:
  • :stuck_out_tongue_winking_eye:
  • :smirk:
  • :open_mouth:
  • :grinning:
  • :pensive:
  • :relaxed:
  • :heart:
Подписаться
Присылать на почту
Правила публикации
Следят за новыми комментариями — 4
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.