Proučavanje odnosa između energije i entropije je ono što proučava tehnička termodinamika. Obuhvaća čitav niz teorija koje povezuju mjerljiva makroskopska svojstva (temperatura, pritisak i zapremina) sa energijom i njenom sposobnošću da obavlja rad.
Uvod
Koncepti toplote i temperature su najosnovniji za tehničku termodinamiku. Može se nazvati naukom o svim pojavama koje zavise od temperature i njenih promjena. U statističkoj fizici, čiji je ona sada dio, to je jedna od velikih teorija na kojima se temelji današnje razumijevanje materije. Termodinamički sistem je definisan kao količina materije fiksne mase i identiteta. Sve što je izvan njega je okruženje od kojeg je odvojeno granicama. Primjene tehničke termodinamike uključuju konstrukcije kao što su:
- klima uređaji i frižideri;
- turbo punjači i kompresori u automobilskim motorima;
- parne turbine u elektranama;
- reaktivnomotori aviona.
Vrelina i temperatura
Svaka osoba ima intuitivno znanje o pojmu temperature. Tijelo je vruće ili hladno, ovisno o tome da li mu je temperatura više ili manje visoka. Ali tačna definicija je teža. U klasičnoj tehničkoj termodinamici definirana je apsolutna temperatura tijela. To je dovelo do stvaranja Kelvinove skale. Minimalna temperatura za sva tijela je nula Kelvina (-273, 15°C). Ovo je apsolutna nula, čiji se koncept prvi put pojavio 1702. godine zahvaljujući francuskom fizičaru Guillaumeu Amontonu.
Teže je definirati toplinu. Tehnička termodinamika to tumači kao slučajni prijenos energije iz sistema u vanjsko okruženje. Odgovara kinetičkoj energiji molekula koji se kreću i koji su podvrgnuti nasumičnim udarima (Brownovsko kretanje). Prenošena energija se naziva neuređenom na mikroskopskom nivou, za razliku od uređene, koja se obavlja kroz rad na makroskopskom nivou.
Stanje stvari
Stanje materije je opis vrste fizičke strukture koju supstanca pokazuje. Ima svojstva koja opisuju kako materijal održava svoju strukturu. Postoji pet stanja materije:
- gas;
- tečnost;
- čvrsto tijelo;
- plasma;
- superfluid (najrjeđi).
Mnoge supstance se mogu kretati između gasne, tečne i čvrste faze. Plazma je posebno stanje materijekao munja.
Kapacitet grijanja
Toplotni kapacitet (C) je omjer promjene topline (ΔQ, gdje grčki znak Delta označava količinu) i promjene temperature (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ona pokazuje lakoću sa kojom se supstanca zagreva. Dobar toplotni provodnik ima nisku kapacitivnost. Snažan toplotni izolator sa visokim toplotnim kapacitetom.
Terminologija
Svaka nauka ima svoj jedinstveni vokabular. Osnovni koncepti tehničke termodinamike uključuju:
- Prenos toplote je međusobna razmena temperatura između dve supstance.
- Mikroskopski pristup - proučavanje ponašanja svakog atoma i molekula (kvantna mehanika).
- Makroskopski pristup - posmatranje opšteg ponašanja mnogih čestica.
- Termodinamički sistem je količina supstance ili površine u prostoru odabrana za istraživanje.
- Okruženje - svi eksterni sistemi.
- Kondukcija - toplota se prenosi kroz zagrejano čvrsto telo.
- Konvekcija - zagrijane čestice vraćaju toplinu drugoj tvari.
- Zračenje - toplota se prenosi putem elektromagnetnih talasa, kao što je od sunca.
- Entropija - u termodinamici je fizička veličina koja se koristi za karakterizaciju izotermnog procesa.
Više o nauci
Tumačenje termodinamike kao zasebne discipline fizike nije sasvim ispravno. Utiče na skoro sveoblasti. Bez sposobnosti sistema da koristi unutrašnju energiju za obavljanje posla, fizičari ne bi imali šta da proučavaju. Postoje i neke vrlo korisne oblasti termodinamike:
- Inženjering topline. Proučava dvije mogućnosti prijenosa energije: rad i toplinu. Povezano sa procjenom prijenosa energije u radnoj tvari mašine.
- Kriofizika (kriogenika) - nauka o niskim temperaturama. Istražuje fizička svojstva supstanci u uslovima čak iu najhladnijem regionu Zemlje. Primjer za to je proučavanje superfluida.
- Hidrodinamika je proučavanje fizičkih svojstava tečnosti.
- Fizika visokih pritisaka. Istražuje fizička svojstva supstanci u sistemima izuzetno visokog pritiska koji se odnose na dinamiku fluida.
- Meteorologija je naučna studija atmosfere koja se fokusira na vremenske procese i prognoze.
- Fizika plazme - proučavanje materije u stanju plazme.
Zero Law
Predmet i metoda tehničke termodinamike su eksperimentalna zapažanja napisana u obliku zakona. Nulti zakon termodinamike kaže da kada dva tijela imaju istu temperaturu sa trećim, ona zauzvrat imaju istu temperaturu jedno s drugim. Na primjer: jedan blok bakra dovodi se u kontakt s termometrom dok se temperatura ne izjednači. Zatim se uklanja. Drugi blok bakra dovodi se u kontakt sa istim termometrom. Ako nema promjene u nivou žive, onda možemo reći da su oba bloka unutratermička ravnoteža sa termometrom.
Prvi zakon
Ovaj zakon kaže da kako sistem prolazi kroz promjenu stanja, energija može prijeći granicu ili kao toplina ili kao rad. Svaki od njih može biti pozitivan ili negativan. Promjena neto energije sistema uvijek je jednaka neto energiji koja prelazi granicu sistema. Potonje može biti unutrašnje, kinetičko ili potencijalno.
Drugi zakon
Koristi se za određivanje smjera u kojem se određeni termički proces može odvijati. Ovaj zakon termodinamike kaže da je nemoguće stvoriti uređaj koji radi u ciklusu i ne proizvodi nikakav učinak osim prijenosa topline s tijela s nižom temperaturom na toplije tijelo. Ponekad se naziva i zakon entropije jer uvodi ovo važno svojstvo. Entropija se može smatrati mjerom koliko je sistem blizu ravnoteže ili poremećaja.
Termički proces
Sistem prolazi termodinamički proces kada se u njemu desi neka vrsta energetske promene, obično povezana sa transformacijom pritiska, zapremine, temperature. Postoji nekoliko specifičnih tipova sa posebnim svojstvima:
- adijabatski - nema razmjene toplote u sistemu;
- isochoric - nema promjene u jačini zvuka;
- izobarični - nema promjene pritiska;
- izotermno - bez promjene temperature.
Reverzibilnost
Reverzibilni proces je onaj koji, nakon što se dogodi, može bitiotkazan. Ne ostavlja nikakve promjene ni u sistemu ni u okruženju. Da bi bio reverzibilan, sistem mora biti u ravnoteži. Postoje faktori koji proces čine nepovratnim. Na primjer, trenje i brzo širenje.
Prijava
Mnogi aspekti života modernog čovečanstva izgrađeni su na temeljima toplotne tehnike. Ovo uključuje:
- Sva vozila (automobili, motocikli, kolica, brodovi, avioni, itd.) rade na osnovu drugog zakona termodinamike i Carnotovog ciklusa. Mogu koristiti benzinski ili dizel motor, ali zakon ostaje isti.
- Kompresori zraka i plina, duvaljke, ventilatori rade na različitim termodinamičkim ciklusima.
- Izmjena topline se koristi u isparivačima, kondenzatorima, radijatorima, hladnjakima, grijačima.
- Hladnjaci, zamrzivači, industrijski rashladni sistemi, sve vrste klimatizacijskih sistema i toplotnih pumpi rade po drugom zakonu.
Tehnička termodinamika takođe uključuje proučavanje različitih tipova elektrana: termalnih, nuklearnih, hidroelektričnih, zasnovanih na obnovljivim izvorima energije (kao što su solarna, vetar, geotermalna), plima, talasi i drugi.
