Studimi i marrëdhënies midis energjisë dhe entropisë është ajo që studion termodinamika teknike. Ai përfshin një grup të tërë teorish që lidhin vetitë makroskopike të matshme (temperaturën, presionin dhe vëllimin) me energjinë dhe aftësinë e saj për të bërë punë.
Hyrje
Konceptet e nxehtësisë dhe temperaturës janë më themeloret për termodinamikën teknike. Mund të quhet shkenca e të gjitha dukurive që varen nga temperatura dhe ndryshimet e saj. Në fizikën statistikore, pjesë e së cilës është tani, është një nga teoritë më të mëdha në të cilën bazohet kuptimi aktual i materies. Një sistem termodinamik përkufizohet si një sasi e materies me masë dhe identitet fiks. Çdo gjë e jashtme për të është mjedisi nga i cili është i ndarë me kufij. Zbatimet e termodinamikës teknike përfshijnë konstruksione të tilla si:
- kondicionerë dhe frigoriferë;
- turbochargers dhe superchargers në motorët e automobilave;
- turbinat me avull në termocentrale;
- reaktivemotorët e avionëve.
Nxehtësia dhe temperatura
Çdo person ka një njohuri intuitive të konceptit të temperaturës. Trupi është i nxehtë apo i ftohtë, në varësi të faktit nëse temperatura e tij është pak a shumë e lartë. Por përkufizimi i saktë është më i vështirë. Në termodinamikën teknike klasike, u përcaktua temperatura absolute e një trupi. Ajo çoi në krijimin e shkallës Kelvin. Temperatura minimale për të gjithë trupat është zero Kelvin (-273, 15°C). Kjo është zero absolute, koncepti i së cilës u shfaq për herë të parë në 1702 falë fizikantit francez Guillaume Amonton.
Nxehtësia është më e vështirë për t'u përcaktuar. Termodinamika teknike e interpreton atë si një transferim të rastësishëm të energjisë nga sistemi në mjedisin e jashtëm. Ajo korrespondon me energjinë kinetike të molekulave që lëvizin dhe i nënshtrohen ndikimeve të rastësishme (lëvizja Brownian). Energjia e transmetuar quhet e çrregullt në nivelin mikroskopik, në ndryshim nga e rregullt, e kryer përmes punës në nivel makroskopik.
Gjendja e materies
Një gjendje e materies është një përshkrim i llojit të strukturës fizike që shfaq një substancë. Ai ka veti që përshkruajnë se si një material ruan strukturën e tij. Ekzistojnë pesë gjendje të materies:
- gaz;
- lëng;
- trup i ngurtë;
- plazma;
- superfluid (më i rrallë).
Shumë substanca mund të lëvizin midis fazave të gazit, të lëngët dhe të ngurtë. Plazma është një gjendje e veçantë e materiessi rrufeja.
Kapaciteti i ngrohjes
Kapaciteti i nxehtësisë (C) është raporti i ndryshimit të nxehtësisë (ΔQ, ku karakteri grek Delta do të thotë sasi) ndaj ndryshimit të temperaturës (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ajo tregon lehtësinë me të cilën nxehet substanca. Një përcjellës i mirë termik ka një vlerësim të ulët të kapacitetit. Izolues i fortë nxehtësie me kapacitet të lartë nxehtësie.
Terminologji
Çdo shkencë ka fjalorin e vet unik. Konceptet bazë të termodinamikës teknike përfshijnë:
- Transferimi i nxehtësisë është shkëmbimi i ndërsjellë i temperaturave ndërmjet dy substancave.
- Qasja mikroskopike - studimi i sjelljes së çdo atomi dhe molekule (mekanika kuantike).
- Qasja makroskopike - vëzhgimi i sjelljes së përgjithshme të shumë grimcave.
- Sistemi termodinamik është sasia e substancës ose zonës në hapësirë të zgjedhur për kërkime.
- Mjedisi - të gjitha sistemet e jashtme.
- Përçueshmëri - nxehtësia transferohet përmes një trupi të ngurtë të ndezur.
- Konvekcion - grimcat e nxehta kthejnë nxehtësinë në një substancë tjetër.
- Rrezatimi - nxehtësia transmetohet nëpërmjet valëve elektromagnetike, si p.sh. nga dielli.
- Entropia - në termodinamikë është një sasi fizike që përdoret për të karakterizuar një proces izotermik.
Më shumë rreth shkencës
Interpretimi i termodinamikës si një disiplinë e veçantë e fizikës nuk është plotësisht i saktë. Ajo prek pothuajse gjithçkazonave. Pa aftësinë e sistemit për të përdorur energjinë e brendshme për të bërë punë, fizikanët nuk do të kishin asgjë për të studiuar. Ekzistojnë gjithashtu disa fusha shumë të dobishme të termodinamikës:
- Inxhinieri e ngrohjes. Ai studion dy mundësi të transferimit të energjisë: punën dhe nxehtësinë. E lidhur me vlerësimin e transferimit të energjisë në substancën e punës së makinës.
- Kriofizika (kriogjenikë) - shkenca e temperaturave të ulëta. Eksploron vetitë fizike të substancave në kushte të përjetuara edhe në rajonin më të ftohtë të Tokës. Një shembull i kësaj është studimi i superfluideve.
- Hidrodinamika është studimi i vetive fizike të lëngjeve.
- Fizika e presioneve të larta. Eksploron vetitë fizike të substancave në sistemet me presion jashtëzakonisht të lartë në lidhje me dinamikën e lëngjeve.
- Meteorologjia është studimi shkencor i atmosferës që fokusohet në proceset e motit dhe parashikimin.
- Fizika e plazmës - studimi i materies në gjendjen e plazmës.
Ligji zero
Lënda dhe metoda e termodinamikës teknike janë vëzhgime eksperimentale të shkruara në formën e ligjeve. Ligji zero i termodinamikës thotë se kur dy trupa kanë të njëjtën temperaturë me një të tretë, ata nga ana e tyre kanë të njëjtën temperaturë me njëri-tjetrin. Për shembull: një bllok bakri vihet në kontakt me një termometër derisa temperatura të jetë e barabartë. Pastaj hiqet. Blloku i dytë i bakrit vihet në kontakt me të njëjtin termometër. Nëse nuk ka ndryshim në nivelin e merkurit, atëherë mund të themi se të dy blloqet janë brendaekuilibri termik me një termometër.
Ligji i Parë
Ky ligj thotë se ndërsa sistemi pëson një ndryshim të gjendjes, energjia mund të kalojë kufirin ose si nxehtësi ose si punë. Secila prej tyre mund të jetë pozitive ose negative. Ndryshimi i energjisë neto i një sistemi është gjithmonë i barabartë me energjinë neto që kalon kufirin e sistemit. Kjo e fundit mund të jetë e brendshme, kinetike ose potenciale.
Ligji i dytë
Përdoret për të përcaktuar drejtimin në të cilin mund të zhvillohet një proces i caktuar termik. Ky ligj i termodinamikës thotë se është e pamundur të krijohet një pajisje që funksionon në një cikël dhe nuk prodhon asnjë efekt tjetër përveç transferimit të nxehtësisë nga një trup me temperaturë më të ulët në një trup më të nxehtë. Nganjëherë quhet ligji i entropisë sepse prezanton këtë veti të rëndësishme. Entropia mund të konsiderohet si një masë se sa afër është një sistem me ekuilibrin ose çrregullimin.
Proces termik
Sistemi i nënshtrohet një procesi termodinamik kur në të ndodh një lloj ndryshimi i energjisë, i shoqëruar zakonisht me transformimin e presionit, vëllimit, temperaturës. Ka disa lloje specifike me veti të veçanta:
- adiabatic - pa shkëmbim nxehtësie në sistem;
- izokorik - pa ndryshim në vëllim;
- izobarik - pa ndryshim në presion;
- izotermike - nuk ka ndryshim në temperaturë.
Kthyeshmëri
Një proces i kthyeshëm është ai që, pasi të ketë ndodhur, mund të jetëanuluar. Nuk lë asnjë ndryshim as në sistem dhe as në mjedis. Për të qenë i kthyeshëm, sistemi duhet të jetë në ekuilibër. Ka faktorë që e bëjnë procesin të pakthyeshëm. Për shembull, fërkimi dhe zgjerimi i arratisur.
Aplikacion
Shumë aspekte të jetës së njerëzimit modern janë ndërtuar mbi themelet e inxhinierisë së nxehtësisë. Këto përfshijnë:
- Të gjitha automjetet (makina, motoçikleta, karroca, anije, aeroplanë, etj.) funksionojnë në bazë të ligjit të dytë të termodinamikës dhe ciklit Carnot. Ata mund të përdorin një motor benzine ose naftë, por ligji mbetet i njëjtë.
- Kompresorët e ajrit dhe gazit, ventilatorët, ventilatorët funksionojnë në cikle të ndryshme termodinamike.
- Shkëmbimi i nxehtësisë përdoret në avullues, kondensatorë, radiatorë, ftohës, ngrohës.
- Frigoriferë, ngrirës, sisteme ftohjeje industriale, të gjitha llojet e sistemeve të klimatizimit dhe pompave të nxehtësisë funksionojnë për shkak të ligjit të dytë.
Termodinamika teknike përfshin gjithashtu studimin e llojeve të ndryshme të termocentraleve: termike, bërthamore, hidroelektrike, bazuar në burimet e rinovueshme të energjisë (si dielli, era, gjeotermale), baticat, valët dhe të tjera.
