Η μελέτη της σχέσης μεταξύ ενέργειας και εντροπίας είναι αυτό που μελετά η τεχνική θερμοδυναμική. Περιλαμβάνει ένα ολόκληρο σύνολο θεωριών που συσχετίζουν τις μετρήσιμες μακροσκοπικές ιδιότητες (θερμοκρασία, πίεση και όγκο) με την ενέργεια και την ικανότητά της να λειτουργεί.
Εισαγωγή
Οι έννοιες της θερμότητας και της θερμοκρασίας είναι οι πιο θεμελιώδεις για την τεχνική θερμοδυναμική. Μπορεί να ονομαστεί επιστήμη όλων των φαινομένων που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και τις αλλαγές της. Στη στατιστική φυσική, της οποίας αποτελεί πλέον μέρος, είναι μια από τις σπουδαίες θεωρίες στις οποίες βασίζεται η τρέχουσα κατανόηση της ύλης. Ένα θερμοδυναμικό σύστημα ορίζεται ως μια ποσότητα ύλης σταθερής μάζας και ταυτότητας. Οτιδήποτε εξωτερικό του είναι το περιβάλλον από το οποίο χωρίζεται με όρια. Οι εφαρμογές της τεχνικής θερμοδυναμικής περιλαμβάνουν κατασκευές όπως:
- κλιματιστικά και ψυγεία;
- υπερσυμπιεστές και υπερσυμπιεστές σε κινητήρες αυτοκινήτων;
- ατμοστρόβιλοι σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας;
- αντιδραστικόκινητήρες αεροσκαφών.
Ζέστη και θερμοκρασία
Κάθε άτομο έχει μια διαισθητική γνώση της έννοιας της θερμοκρασίας. Το σώμα είναι ζεστό ή κρύο, ανάλογα με το αν η θερμοκρασία του είναι περισσότερο ή λιγότερο υψηλή. Αλλά ο ακριβής ορισμός είναι πιο δύσκολος. Στην κλασική τεχνική θερμοδυναμική, ορίστηκε η απόλυτη θερμοκρασία ενός σώματος. Οδήγησε στη δημιουργία της κλίμακας Kelvin. Η ελάχιστη θερμοκρασία για όλα τα σώματα είναι μηδέν Kelvin (-273, 15°C). Αυτό είναι το απόλυτο μηδέν, η έννοια του οποίου εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 1702 χάρη στον Γάλλο φυσικό Guillaume Amonton.
Η θερμότητα είναι πιο δύσκολο να προσδιοριστεί. Η τεχνική θερμοδυναμική την ερμηνεύει ως μια τυχαία μεταφορά ενέργειας από το σύστημα στο εξωτερικό περιβάλλον. Αντιστοιχεί στην κινητική ενέργεια των μορίων που κινούνται και υπόκεινται σε τυχαίες κρούσεις (κίνηση Brown). Η μεταδιδόμενη ενέργεια ονομάζεται διαταραγμένη στο μικροσκοπικό επίπεδο, σε αντίθεση με την τακτική, που πραγματοποιείται μέσω της εργασίας σε μακροσκοπικό επίπεδο.
Κατάσταση της ύλης
Μια κατάσταση της ύλης είναι μια περιγραφή του τύπου της φυσικής δομής που εμφανίζει μια ουσία. Έχει ιδιότητες που περιγράφουν πώς ένα υλικό διατηρεί τη δομή του. Υπάρχουν πέντε καταστάσεις της ύλης:
- gas;
- υγρό;
- στερεό σώμα;
- πλάσμα;
- υπερρευστό (το πιο σπάνιο).
Πολλές ουσίες μπορούν να κινούνται μεταξύ αέριων, υγρών και στερεών φάσεων. Το πλάσμα είναι μια ειδική κατάσταση της ύληςσαν αστραπή.
Θερμοχωρητικότητα
Θερμοχωρητικότητα (C) είναι ο λόγος της μεταβολής της θερμότητας (ΔQ, όπου ο ελληνικός χαρακτήρας Δέλτα σημαίνει ποσότητα) προς την αλλαγή της θερμοκρασίας (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Δείχνει την ευκολία με την οποία θερμαίνεται η ουσία. Ένας καλός θερμικός αγωγός έχει χαμηλή ονομαστική χωρητικότητα. Ισχυρός θερμομονωτήρας με υψηλή θερμοχωρητικότητα.
Ορολογία
Κάθε επιστήμη έχει το δικό της μοναδικό λεξιλόγιο. Οι βασικές έννοιες της τεχνικής θερμοδυναμικής περιλαμβάνουν:
- Μεταφορά θερμότητας είναι η αμοιβαία ανταλλαγή θερμοκρασιών μεταξύ δύο ουσιών.
- Μικροσκοπική προσέγγιση - η μελέτη της συμπεριφοράς κάθε ατόμου και μορίου (κβαντομηχανική).
- Μακροσκοπική προσέγγιση - παρατήρηση της γενικής συμπεριφοράς πολλών σωματιδίων.
- Θερμοδυναμικό σύστημα είναι η ποσότητα της ουσίας ή της περιοχής στο διάστημα που επιλέγεται για έρευνα.
- Περιβάλλον - όλα τα εξωτερικά συστήματα.
- Αγωγή - η θερμότητα μεταφέρεται μέσω ενός θερμαινόμενου στερεού σώματος.
- Συναγωγή - τα θερμαινόμενα σωματίδια επιστρέφουν τη θερμότητα σε άλλη ουσία.
- Ακτινοβολία - η θερμότητα μεταδίδεται μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, όπως από τον ήλιο.
- Εντροπία - στη θερμοδυναμική είναι μια φυσική ποσότητα που χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει μια ισοθερμική διεργασία.
Περισσότερα για την επιστήμη
Η ερμηνεία της θερμοδυναμικής ως χωριστού κλάδου της φυσικής δεν είναι απολύτως σωστή. Επηρεάζει σχεδόν τα πάνταπεριοχές. Χωρίς την ικανότητα του συστήματος να χρησιμοποιεί την εσωτερική ενέργεια για να κάνει εργασία, οι φυσικοί δεν θα είχαν τίποτα να μελετήσουν. Υπάρχουν επίσης μερικοί πολύ χρήσιμοι τομείς της θερμοδυναμικής:
- Μηχανική θερμότητας. Μελετά δύο δυνατότητες μεταφοράς ενέργειας: εργασία και θερμότητα. Σχετίζεται με την αξιολόγηση της μεταφοράς ενέργειας στην ουσία εργασίας του μηχανήματος.
- Κρυοφυσική (κρυογονική) - η επιστήμη των χαμηλών θερμοκρασιών. Εξερευνά τις φυσικές ιδιότητες των ουσιών υπό συνθήκες που βιώνονται ακόμη και στην πιο ψυχρή περιοχή της Γης. Ένα παράδειγμα αυτού είναι η μελέτη των υπερρευστών.
- Η Υδροδυναμική είναι η μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων των υγρών.
- Φυσική υψηλών πιέσεων. Εξερευνά τις φυσικές ιδιότητες των ουσιών σε συστήματα εξαιρετικά υψηλής πίεσης που σχετίζονται με τη δυναμική των ρευστών.
- Μετεωρολογία είναι η επιστημονική μελέτη της ατμόσφαιρας που επικεντρώνεται στις καιρικές διεργασίες και τις προβλέψεις.
- Φυσική του πλάσματος - η μελέτη της ύλης σε κατάσταση πλάσματος.
Νόμος μηδέν
Το θέμα και η μέθοδος της τεχνικής θερμοδυναμικής είναι πειραματικές παρατηρήσεις γραμμένες με τη μορφή νόμων. Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής λέει ότι όταν δύο σώματα έχουν την ίδια θερμοκρασία με ένα τρίτο, έχουν με τη σειρά τους την ίδια θερμοκρασία μεταξύ τους. Για παράδειγμα: ένα μπλοκ χαλκού έρχεται σε επαφή με ένα θερμόμετρο μέχρι να εξισωθεί η θερμοκρασία. Στη συνέχεια αφαιρείται. Το δεύτερο μπλοκ χαλκού έρχεται σε επαφή με το ίδιο θερμόμετρο. Εάν δεν υπάρχει αλλαγή στο επίπεδο του υδραργύρου, τότε μπορούμε να πούμε ότι και τα δύο μπλοκ είναι μέσαθερμική ισορροπία με θερμόμετρο.
Πρώτος Νόμος
Αυτός ο νόμος δηλώνει ότι καθώς το σύστημα υφίσταται μια αλλαγή κατάστασης, η ενέργεια μπορεί να περάσει τα όρια είτε ως θερμότητα είτε ως έργο. Κάθε ένα από αυτά μπορεί να είναι θετικό ή αρνητικό. Η μεταβολή της καθαρής ενέργειας ενός συστήματος είναι πάντα ίση με την καθαρή ενέργεια που διασχίζει τα όρια του συστήματος. Το τελευταίο μπορεί να είναι εσωτερικό, κινητικό ή δυνητικό.
Δεύτερος Νόμος
Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης στην οποία μπορεί να λάβει χώρα μια συγκεκριμένη θερμική διαδικασία. Αυτός ο νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι είναι αδύνατο να δημιουργηθεί μια συσκευή που να λειτουργεί σε κύκλο και να μην παράγει κανένα άλλο αποτέλεσμα εκτός από τη μεταφορά θερμότητας από ένα σώμα με χαμηλότερη θερμοκρασία σε ένα πιο ζεστό σώμα. Μερικές φορές ονομάζεται νόμος της εντροπίας επειδή εισάγει αυτή τη σημαντική ιδιότητα. Η εντροπία μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μέτρο του πόσο κοντά είναι ένα σύστημα στην ισορροπία ή τη διαταραχή.
Θερμική διεργασία
Το σύστημα υφίσταται μια θερμοδυναμική διαδικασία όταν συμβαίνει κάποιο είδος ενεργειακής αλλαγής σε αυτό, που συνήθως σχετίζεται με τη μετατροπή της πίεσης, του όγκου, της θερμοκρασίας. Υπάρχουν διάφοροι συγκεκριμένοι τύποι με ειδικές ιδιότητες:
- αδιαβατικό - χωρίς ανταλλαγή θερμότητας στο σύστημα;
- ισοχωρικό - καμία αλλαγή στον όγκο;
- ισοβαρικό - καμία αλλαγή στην πίεση;
- ισοθερμικό - καμία αλλαγή στη θερμοκρασία.
Αναστρεψιμότητα
Μια αναστρέψιμη διαδικασία είναι αυτή που, αφού λάβει χώρα, μπορεί να είναιακυρώθηκε. Δεν αφήνει αλλαγές ούτε στο σύστημα ούτε στο περιβάλλον. Για να είναι αναστρέψιμο, το σύστημα πρέπει να βρίσκεται σε ισορροπία. Υπάρχουν παράγοντες που κάνουν τη διαδικασία μη αναστρέψιμη. Για παράδειγμα, τριβή και διαστολή.
Αίτηση
Πολλές πτυχές της ζωής της σύγχρονης ανθρωπότητας είναι χτισμένες στα θεμέλια της θερμικής μηχανικής. Αυτά περιλαμβάνουν:
- Όλα τα οχήματα (αυτοκίνητα, μοτοσυκλέτες, καρότσια, πλοία, αεροπλάνα κ.λπ.) λειτουργούν με βάση τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο και τον κύκλο Carnot. Μπορούν να χρησιμοποιήσουν κινητήρα βενζίνης ή ντίζελ, αλλά ο νόμος παραμένει ο ίδιος.
- Συμπιεστές αέρα και αερίου, φυσητήρες, ανεμιστήρες λειτουργούν σε διαφορετικούς θερμοδυναμικούς κύκλους.
- Η ανταλλαγή θερμότητας χρησιμοποιείται σε εξατμιστές, συμπυκνωτές, θερμαντικά σώματα, ψύκτες, θερμαντήρες.
- Ψυγεία, καταψύκτες, βιομηχανικά συστήματα ψύξης, όλα τα είδη κλιματιστικών συστημάτων και αντλιών θερμότητας λειτουργούν λόγω του δεύτερου νόμου.
Η τεχνική θερμοδυναμική περιλαμβάνει επίσης τη μελέτη διαφόρων τύπων σταθμών ηλεκτροπαραγωγής: θερμικές, πυρηνικές, υδροηλεκτρικές, που βασίζονται σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (όπως ηλιακή, αιολική, γεωθερμική), παλίρροιες, κύματα και άλλες.
