Az energia és az entrópia kapcsolatának tanulmányozását a műszaki termodinamika vizsgálja. Olyan elméletek egész sorát öleli fel, amelyek a mérhető makroszkopikus tulajdonságokat (hőmérséklet, nyomás és térfogat) az energiához és annak munkavégző képességéhez kapcsolják.
Bevezetés
A hő és a hőmérséklet fogalma a legalapvetőbb a műszaki termodinamikában. Nevezhetjük minden olyan jelenség tudományának, amely a hőmérséklettől és annak változásaitól függ. A statisztikai fizikában, amelynek ma már része, egyike azoknak a nagy elméleteknek, amelyeken az anyag jelenlegi megértése alapul. A termodinamikai rendszert meghatározott tömegű és azonosságú anyagmennyiségként határozzuk meg. Minden, ami rajta van, az a környezet, amelytől határok választják el. A műszaki termodinamika alkalmazásai közé tartoznak a következők:
- klímaberendezések és hűtőszekrények;
- turbófeltöltők és kompresszorok autómotorokban;
- gőzturbinák az erőművekben;
- reaktívrepülőgép-hajtóművek.
Hő és hőmérséklet
Minden ember intuitív ismeretekkel rendelkezik a hőmérséklet fogalmáról. A test meleg vagy hideg, attól függően, hogy a hőmérséklete többé-kevésbé magas. De a pontos meghatározás nehezebb. A klasszikus műszaki termodinamikában a test abszolút hőmérsékletét határozták meg. Ez vezetett a Kelvin-skála létrehozásához. Minden test minimális hőmérséklete nulla Kelvin (-273, 15°C). Ez az abszolút nulla, amelynek fogalma először 1702-ben jelent meg Guillaume Amonton francia fizikusnak köszönhetően.
A hőt nehezebb meghatározni. A műszaki termodinamika úgy értelmezi, mint egy véletlenszerű energiaátvitelt a rendszerből a külső környezetbe. Megfelel a mozgó és véletlenszerű hatásoknak kitett molekulák kinetikus energiájának (Browni-mozgás). Az átvitt energiát mikroszkopikus szinten rendezetlennek nevezzük, szemben a rendezettséggel, a makroszkopikus szinten végzett munkával.
A dolgok állapota
A halmazállapot az anyag fizikai szerkezetének leírása. Olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek leírják, hogyan tartja meg az anyag szerkezetét. Az anyagnak öt halmazállapota van:
- gáz;
- folyékony;
- szilárd test;
- plazma;
- szuperfluid (a legritkább).
Sok anyag mozoghat a gáz, a folyékony és a szilárd fázis között. A plazma az anyag különleges állapotamint a villám.
Hőkapacitás
Hőkapacitás (C) a hőváltozás (ΔQ, ahol a görög Delta karakter a mennyiséget jelöli) aránya a hőmérséklet változásához (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Megmutatja, milyen könnyen melegszik fel az anyag. A jó hővezetőnek alacsony a névleges kapacitása. Erős hőszigetelő nagy hőkapacitással.
Terminológia
Minden tudománynak megvan a maga egyedi szókincse. A műszaki termodinamika alapfogalmai a következők:
- A hőátadás két anyag közötti kölcsönös hőmérséklet-csere.
- Mikroszkópos megközelítés – az egyes atomok és molekulák viselkedésének tanulmányozása (kvantummechanika).
- Makroszkópos megközelítés – számos részecske általános viselkedésének megfigyelése.
- A termodinamikai rendszer a kutatáshoz kiválasztott anyag vagy terület mennyisége a térben.
- Környezet – minden külső rendszer.
- Vezetés – a hő átadása egy felhevített szilárd testen keresztül történik.
- Konvekció – a felhevített részecskék hőt adnak vissza egy másik anyaghoz.
- Sugárzás – a hőt elektromágneses hullámok továbbítják, például a napból.
- Az entrópia – a termodinamikában egy izoterm folyamat jellemzésére használt fizikai mennyiség.
További információ a tudományról
A termodinamika értelmezése a fizika külön tudományágaként nem teljesen helyes. Szinte mindenre hatással vanterületeken. A fizikusoknak nem lenne mit tanulmányozniuk, ha a rendszer nem képes belső energiát felhasználni a munkához. A termodinamikának van néhány nagyon hasznos területe is:
- Hőtechnika. Az energiaátvitel két lehetőségét vizsgálja: a munkát és a hőt. A gép munkaanyagában az energiaátadás értékelésével kapcsolatos.
- Kriofizika (kriogenika) – az alacsony hőmérséklet tudománya. Feltárja az anyagok fizikai tulajdonságait a Föld leghidegebb vidékén is tapasztalható körülmények között. Példa erre a szuperfolyadékok tanulmányozása.
- A hidrodinamika a folyadékok fizikai tulajdonságainak tanulmányozása.
- A nagy nyomások fizikája. Feltárja az anyagok fizikai tulajdonságait rendkívül nagy nyomású rendszerekben a folyadékdinamikával kapcsolatban.
- A meteorológia a légkör tudományos tanulmányozása, amely az időjárási folyamatokra és az előrejelzésekre összpontosít.
- Plazmafizika – a plazma állapotú anyag tanulmányozása.
Zéró törvény
A műszaki termodinamika tárgya és módszere törvények formájában megírt kísérleti megfigyelések. A termodinamika nulladik főtétele kimondja, hogy ha két test hőmérséklete megegyezik a harmadikkal, akkor egymással azonos hőmérsékletűek. Például: egy réztömböt érintkezésbe hozunk egy hőmérővel, amíg a hőmérséklet egyenlővé nem válik. Ezután eltávolítják. A második réztömböt ugyanazzal a hőmérővel hozzuk érintkezésbe. Ha nincs változás a higanyszintben, akkor azt mondhatjuk, hogy mindkét blokk benne vantermikus egyensúly hőmérővel.
Első törvény
Ez a törvény kimondja, hogy amikor a rendszer állapotváltozáson megy keresztül, az energia hőként vagy munkaként átlépheti a határt. Mindegyik lehet pozitív vagy negatív. Egy rendszer nettó energiaváltozása mindig egyenlő azzal a nettó energiával, amely átlépi a rendszer határát. Ez utóbbi lehet belső, kinetikus vagy potenciális.
Második törvény
Az adott termikus folyamat irányának meghatározására szolgál. Ez a termodinamika törvénye kimondja, hogy lehetetlen olyan eszközt létrehozni, amely körfolyamatban működik, és más hatást nem produkál, mint a hőt az alacsonyabb hőmérsékletű testről a melegebbre. Néha az entrópia törvényének is nevezik, mert bevezeti ezt a fontos tulajdonságot. Az entrópia felfogható annak mértékeként, hogy egy rendszer milyen közel van az egyensúlyhoz vagy a rendezetlenséghez.
Hőkezelés
A rendszer termodinamikai folyamaton megy keresztül, amikor valamilyen energiaváltozás történik benne, általában a nyomás, térfogat, hőmérséklet átalakulásával összefüggésben. Számos speciális típus létezik speciális tulajdonságokkal:
- adiabatikus - nincs hőcsere a rendszerben;
- izokór – nincs változás a hangerőben;
- izobár – nincs nyomásváltozás;
- izoterm – nincs hőmérsékletváltozás.
Megfordíthatóság
A reverzibilis folyamat az, amely lezajlása után lehettörölve. Nem hagy változást sem a rendszerben, sem a környezetben. A visszafordíthatóság érdekében a rendszernek egyensúlyban kell lennie. Vannak olyan tényezők, amelyek visszafordíthatatlanná teszik a folyamatot. Például a súrlódás és az elszabaduló tágulás.
Alkalmazás
A modern emberiség életének számos vonatkozása a hőtechnika alapjaira épül. Ezek a következők:
- Minden jármű (autók, motorkerékpárok, szekerek, hajók, repülők stb.) a termodinamika második főtétele és a Carnot-ciklus alapján működik. Használhatnak benzin- vagy dízelmotort, de a törvény változatlan marad.
- A levegő- és gázkompresszorok, fúvók, ventilátorok különböző termodinamikai ciklusokon működnek.
- A hőcserélőt elpárologtatókban, kondenzátorokban, radiátorokban, hűtőkben, fűtőberendezésekben használják.
- A hűtőszekrények, fagyasztók, ipari hűtőrendszerek, minden típusú légkondicionáló rendszer és hőszivattyú működik a második törvénynek köszönhetően.
A műszaki termodinamika magában foglalja a különféle típusú erőművek tanulmányozását is: hő-, atom-, vízerőművek, megújuló energiaforrásokon (például nap-, szél-, geotermikus), árapály-, hullám- és egyebeken alapuló erőművek.
