Enerģijas un entropijas attiecību izpēte ir tehniskā termodinamika. Tas ietver veselu teoriju kopumu, kas saista izmērāmas makroskopiskās īpašības (temperatūra, spiediens un tilpums) ar enerģiju un tās spēju veikt darbu.
Ievads
Siltuma un temperatūras jēdzieni ir vissvarīgākie tehniskajā termodinamikā. To var saukt par zinātni par visām parādībām, kas ir atkarīgas no temperatūras un tās izmaiņām. Statistiskajā fizikā, kuras daļa tā tagad ir, tā ir viena no lielākajām teorijām, uz kurām balstās pašreizējā matērijas izpratne. Termodinamiskā sistēma ir noteikta kā vielas daudzums ar noteiktu masu un identitāti. Viss ārējais tam ir vide, no kuras to atdala robežas. Tehniskās termodinamikas pielietojumi ietver tādas konstrukcijas kā:
- gaisa kondicionieri un ledusskapji;
- turbokompresori un kompresori automobiļu dzinējos;
- tvaika turbīnas spēkstacijās;
- reaktīvslidmašīnu dzinēji.
Siltums un temperatūra
Katram cilvēkam ir intuitīvas zināšanas par temperatūras jēdzienu. Ķermenis ir karsts vai auksts atkarībā no tā, vai tā temperatūra ir vairāk vai mazāk augsta. Bet precīza definīcija ir grūtāka. Klasiskajā tehniskajā termodinamikā tika definēta ķermeņa absolūtā temperatūra. Tā rezultātā tika izveidota Kelvina skala. Minimālā temperatūra visiem ķermeņiem ir nulle Kelvina (-273, 15°C). Tā ir absolūta nulle, kuras jēdziens pirmo reizi parādījās 1702. gadā, pateicoties franču fiziķim Gijomam Amontonam.
Siltumu ir grūtāk definēt. Tehniskā termodinamika to interpretē kā nejaušu enerģijas pārnešanu no sistēmas uz ārējo vidi. Tas atbilst molekulu kinētiskajai enerģijai, kas pārvietojas un tiek pakļautas nejaušiem triecieniem (Brauna kustība). Pārraidītā enerģija tiek saukta par nesakārtotu mikroskopiskā līmenī, pretstatā sakārtotai, kas tiek veikta ar darbu makroskopiskā līmenī.
Stāvoklis
Vielas stāvoklis ir vielas fiziskās struktūras veida apraksts. Tam ir īpašības, kas raksturo, kā materiāls saglabā savu struktūru. Ir pieci matērijas stāvokļi:
- gāze;
- šķidrums;
- ciets korpuss;
- plazma;
- superfluid (visretākais).
Daudzas vielas var pārvietoties starp gāzes, šķidro un cieto fāzi. Plazma ir īpašs vielas stāvokliskā zibens.
Siltuma jauda
Siltuma jauda (C) ir siltuma izmaiņu attiecība (ΔQ, kur grieķu rakstzīme Delta apzīmē daudzumu) pret temperatūras izmaiņām (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Viņa parāda, ar kādu vieglumu viela tiek uzkarsēta. Labam siltumvadītājam ir zema kapacitāte. Spēcīgs siltumizolators ar augstu siltuma jaudu.
Terminoloģija
Katrai zinātnei ir savs unikāls vārdu krājums. Tehniskās termodinamikas pamatjēdzieni ietver:
- Siltuma pārnese ir savstarpēja temperatūru apmaiņa starp divām vielām.
- Mikroskopiskā pieeja - katra atoma un molekulas uzvedības izpēte (kvantu mehānika).
- Makroskopiskā pieeja - daudzu daļiņu vispārējās uzvedības novērošana.
- Termodinamiskā sistēma ir pētniecībai izvēlētais vielas vai laukuma daudzums telpā.
- Vide - visas ārējās sistēmas.
- Vadītspēja - siltums tiek pārnests caur sakarsētu cietu ķermeni.
- Konvekcija - sakarsētas daļiņas atdod siltumu citai vielai.
- Radiācija - siltums tiek pārraidīts caur elektromagnētiskiem viļņiem, piemēram, no saules.
- Entropija - termodinamikā ir fizikāls lielums, ko izmanto, lai raksturotu izotermisku procesu.
Vairāk par zinātni
Terodinamikas kā atsevišķas fizikas disciplīnas interpretācija nav gluži pareiza. Tas ietekmē gandrīz visuteritorijas. Bez sistēmas spējas izmantot iekšējo enerģiju darba veikšanai, fiziķiem nebūtu ko pētīt. Ir arī dažas ļoti noderīgas termodinamikas jomas:
- Siltumtehnika. Tajā tiek pētītas divas enerģijas pārneses iespējas: darbs un siltums. Saistīts ar enerģijas pārneses novērtēšanu mašīnas darba vielā.
- Kriofizika (kriogēnika) – zinātne par zemām temperatūrām. Izpēta vielu fizikālās īpašības apstākļos, kas piedzīvoti pat aukstākajā Zemes reģionā. Piemērs tam ir superšķidrumu izpēte.
- Hidrodinamika ir šķidrumu fizikālo īpašību izpēte.
- Augsta spiediena fizika. Izpēta vielu fizikālās īpašības ārkārtīgi augsta spiediena sistēmās, kas saistītas ar šķidruma dinamiku.
- Meteoroloģija ir zinātnisks atmosfēras pētījums, kas koncentrējas uz laikapstākļu procesiem un prognozēšanu.
- Plazmas fizika - vielas izpēte plazmas stāvoklī.
Nulles likums
Tehniskās termodinamikas priekšmets un metode ir eksperimentāli novērojumi, kas rakstīti likumu formā. Nulles termodinamikas likums nosaka, ka tad, kad diviem ķermeņiem ir vienāda temperatūra ar trešo, tiem savukārt ir vienāda temperatūra vienam ar otru. Piemēram: vienu vara bloku saskaras ar termometru, līdz temperatūra ir vienāda. Pēc tam tas tiek noņemts. Otrais vara bloks nonāk saskarē ar to pašu termometru. Ja dzīvsudraba līmenis nemainās, tad varam teikt, ka abi bloki ir iekšātermiskais līdzsvars ar termometru.
Pirmais likums
Šis likums nosaka, ka, sistēmā mainoties stāvoklim, enerģija var šķērsot robežu vai nu kā siltums, vai kā darbs. Katrs no tiem var būt pozitīvs vai negatīvs. Sistēmas tīrās enerģijas izmaiņas vienmēr ir vienādas ar neto enerģiju, kas šķērso sistēmas robežu. Pēdējais var būt iekšējs, kinētisks vai potenciāls.
Otrais likums
To izmanto, lai noteiktu virzienu, kurā var notikt konkrēts termiskais process. Šis termodinamikas likums nosaka, ka nav iespējams izveidot ierīci, kas darbojas ciklā un nerada nekādu citu efektu, izņemot siltuma pārnesi no ķermeņa ar zemāku temperatūru uz karstāku ķermeni. To dažreiz sauc par entropijas likumu, jo tas ievieš šo svarīgo īpašību. Entropiju var uzskatīt par mēru tam, cik tuvu sistēma ir līdzsvaram vai nekārtībai.
Termiskais process
Sistēmā notiek termodinamisks process, kad tajā notiek kaut kādas enerģijas izmaiņas, kas parasti ir saistītas ar spiediena, tilpuma, temperatūras pārveidi. Ir vairāki īpaši veidi ar īpašām īpašībām:
- adiabātiska - sistēmā nav siltuma apmaiņas;
- izohorisks - skaļums nemainās;
- izobarisks - bez spiediena izmaiņām;
- izotermisks - temperatūra nemainās.
Atgriezeniskums
Atgriezenisks process var būt pēc tam, kad tas ir noticisatcelts. Tas neatstāj nekādas izmaiņas ne sistēmā, ne vidē. Lai sistēma būtu atgriezeniska, tai jābūt līdzsvarā. Ir faktori, kas padara procesu neatgriezenisku. Piemēram, berze un nepārtraukta izplešanās.
Pieteikums
Daudzi mūsdienu cilvēces dzīves aspekti ir balstīti uz siltumtehnikas pamatiem. Tie ietver:
- Visi transportlīdzekļi (automašīnas, motocikli, rati, kuģi, lidmašīnas utt.) darbojas, pamatojoties uz otro termodinamikas likumu un Kārno ciklu. Viņi var izmantot benzīna vai dīzeļdzinēju, taču likums paliek nemainīgs.
- Gaisa un gāzes kompresori, pūtēji, ventilatori darbojas dažādos termodinamiskos ciklos.
- Siltummaiņu izmanto iztvaicētājos, kondensatoros, radiatoros, dzesētājos, sildītājos.
- Ledusskapji, saldētavas, rūpnieciskās saldēšanas sistēmas, visa veida gaisa kondicionēšanas sistēmas un siltumsūkņi darbojas, pateicoties otrajam likumam.
Tehniskā termodinamika ietver arī dažāda veida spēkstaciju izpēti: termiskās, atomelektrostacijas, hidroelektrostacijas, kuru pamatā ir atjaunojamie enerģijas avoti (piemēram, saules enerģija, vējš, ģeotermālā enerģija), plūdmaiņas, viļņi un citi.
