مطالعه رابطه بین انرژی و آنتروپی همان چیزی است که ترمودینامیک فنی مطالعه می کند. این شامل مجموعه ای کامل از نظریه ها است که ویژگی های ماکروسکوپی قابل اندازه گیری (دما، فشار و حجم) را به انرژی و توانایی آن در انجام کار مرتبط می کند.
مقدمه
مفاهیم گرما و دما اساسی ترین مفاهیم برای ترمودینامیک فنی هستند. می توان آن را علم همه پدیده هایی نامید که به دما و تغییرات آن بستگی دارند. در فیزیک آماری که اکنون بخشی از آن است، یکی از نظریه های بزرگی است که درک کنونی از ماده بر آن استوار است. سیستم ترمودینامیکی به عنوان مقداری از ماده با جرم و هویت ثابت تعریف می شود. هر چیزی خارج از آن محیطی است که با مرزها از آن جدا شده است. کاربردهای ترمودینامیک فنی شامل سازه هایی مانند:
- کولر و یخچال؛
- توربوشارژرها و سوپرشارژرها در موتورهای خودرو؛
- توربین های بخار در نیروگاه ها؛
- واکنشیموتورهای هواپیما.
گرما و دما
هر فردی از مفهوم دما آگاهی شهودی دارد. بدن گرم یا سرد است، بسته به اینکه دمای آن کم و بیش بالا باشد. اما تعریف دقیق آن دشوارتر است. در ترمودینامیک فنی کلاسیک، دمای مطلق یک جسم تعریف می شد. منجر به ایجاد مقیاس کلوین شد. حداقل دما برای همه اجسام صفر کلوین (273-، 15 درجه سانتیگراد) است. این صفر مطلق است که مفهوم آن برای اولین بار در سال 1702 به لطف فیزیکدان فرانسوی گیوم آمونتون ظاهر شد.
تعریف گرما سخت تر است. ترمودینامیک فنی آن را به عنوان انتقال تصادفی انرژی از سیستم به محیط خارجی تفسیر می کند. این مربوط به انرژی جنبشی مولکول هایی است که حرکت می کنند و در معرض ضربه های تصادفی قرار می گیرند (حرکت براونی). انرژی منتقل شده در سطح میکروسکوپی نامنظم نامیده می شود، برخلاف منظم، که از طریق کار در سطح ماکروسکوپی انجام می شود.
وضعیت ماده
حالت ماده توصیفی از نوع ساختار فیزیکی است که یک ماده از خود نشان می دهد. دارای خواصی است که چگونگی حفظ ساختار یک ماده را توصیف می کند. ماده پنج حالت دارد:
- گاز;
- مایع;
- جسم جامد؛
- پلاسما;
- superfluid (نادرترین).
بسیاری از مواد می توانند بین فازهای گاز، مایع و جامد حرکت کنند. پلاسما حالت خاصی از ماده استمثل رعد و برق.
ظرفیت گرمایی
ظرفیت گرمایی (C) نسبت تغییر گرما (ΔQ، که در آن کاراکتر یونانی Delta مخفف کمیت است) به تغییر دما (ΔT): است.
C=Δ Q / Δ T.
او نشان می دهد که این ماده به راحتی گرم می شود. یک هادی حرارتی خوب دارای ظرفیت خازنی پایینی است. عایق حرارتی قوی با ظرفیت حرارتی بالا.
اصطلاحات
هر علمی واژگان منحصر به فرد خود را دارد. مفاهیم اساسی ترمودینامیک فنی عبارتند از:
- انتقال حرارت تبادل متقابل دما بین دو ماده است.
- رویکرد میکروسکوپی - مطالعه رفتار هر اتم و مولکول (مکانیک کوانتومی).
- رویکرد ماکروسکوپی - مشاهده رفتار کلی بسیاری از ذرات.
- سیستم ترمودینامیکی مقدار ماده یا مساحتی در فضا است که برای تحقیق انتخاب شده است.
- محیط - همه سیستم های خارجی.
- رسانا - گرما از طریق جسم جامد گرم شده منتقل می شود.
- همرفت - ذرات گرم شده گرما را به ماده دیگری باز می گرداند.
- تابش - گرما از طریق امواج الکترومغناطیسی مانند خورشید منتقل می شود.
- آنتروپی - در ترمودینامیک یک کمیت فیزیکی است که برای توصیف یک فرآیند همدما استفاده می شود.
بیشتر درباره علم
تفسیر ترمودینامیک به عنوان یک رشته جداگانه از فیزیک کاملاً صحیح نیست. تقریباً همه چیز را تحت تأثیر قرار می دهدمناطق. بدون توانایی سیستم برای استفاده از انرژی درونی برای انجام کار، فیزیکدانان چیزی برای مطالعه نخواهند داشت. همچنین برخی از زمینه های بسیار مفید ترمودینامیک وجود دارد:
- مهندسی گرما. دو امکان انتقال انرژی را مطالعه می کند: کار و گرما. مرتبط با ارزیابی انتقال انرژی در ماده کاری دستگاه.
- کرایوفیزیک (برودت) - علم دماهای پایین. خواص فیزیکی مواد را تحت شرایطی که حتی در سردترین منطقه زمین تجربه می شود، بررسی می کند. نمونه ای از این مطالعه ابر سیالات است.
- هیدرودینامیک مطالعه خواص فیزیکی مایعات است.
- فیزیک فشارهای بالا. خواص فیزیکی مواد در سیستم‌های فشار بسیار بالا مرتبط با دینامیک سیالات را بررسی می‌کند.
- هواشناسی مطالعه علمی جو است که بر فرآیندهای آب و هوا و پیش‌بینی تمرکز دارد.
- فیزیک پلاسما - مطالعه ماده در حالت پلاسما.
قانون صفر
موضوع و روش ترمودینامیک فنی مشاهدات تجربی هستند که در قالب قوانین نوشته شده اند. قانون صفر ترمودینامیک بیان می کند که وقتی دو جسم با جسم سوم دمای یکسانی داشته باشند، به نوبه خود دمای یکسانی با یکدیگر دارند. به عنوان مثال: یک بلوک مس با یک دماسنج در تماس است تا زمانی که دما برابر شود. سپس حذف می شود. بلوک دوم مس با همان دماسنج در تماس است. اگر تغییری در سطح جیوه وجود نداشته باشد، می توان گفت که هر دو بلوک داخل هستندتعادل حرارتی با دماسنج.
قانون اول
این قانون بیان می کند که با تغییر حالت سیستم، انرژی می تواند به صورت گرما یا کار از مرز عبور کند. هر یک از آنها می تواند مثبت یا منفی باشد. تغییر انرژی خالص یک سیستم همیشه برابر با انرژی خالصی است که از مرز سیستم عبور می کند. دومی می تواند داخلی، جنبشی یا بالقوه باشد.
قانون دوم
برای تعیین جهتی که یک فرآیند حرارتی خاص می تواند انجام شود استفاده می شود. این قانون ترمودینامیک بیان می‌کند که ساختن وسیله‌ای که در یک چرخه کار کند و هیچ اثری جز انتقال گرما از جسمی با دمای پایین‌تر به جسم داغ‌تر نداشته باشد، غیرممکن است. گاهی اوقات به آن قانون آنتروپی می گویند زیرا این ویژگی مهم را معرفی می کند. آنتروپی را می توان به عنوان معیاری در نظر گرفت که یک سیستم چقدر به تعادل یا بی نظمی نزدیک است.
فرایند حرارتی
سیستم تحت یک فرآیند ترمودینامیکی زمانی که نوعی تغییر انرژی در آن رخ می دهد، معمولاً با تغییر فشار، حجم، دما همراه است. چندین نوع خاص با خواص ویژه وجود دارد:
- آدیاباتیک - بدون تبادل حرارت در سیستم؛
- ایزوکوریک - بدون تغییر در حجم؛
- ایزوباریک - بدون تغییر در فشار؛
- ایزوترمال - بدون تغییر دما.
برگشت پذیری
فرایند برگشت پذیر فرآیندی است که پس از انجام آن می تواند باشدلغو شد. هیچ تغییری در سیستم و یا در محیط ایجاد نمی کند. برای برگشت پذیر بودن سیستم باید در حالت تعادل باشد. عواملی وجود دارند که روند را برگشت ناپذیر می کنند. برای مثال، اصطکاک و انبساط فراری.
برنامه
بسیاری از جنبه های زندگی بشر مدرن بر پایه های مهندسی گرما بنا شده است. این موارد عبارتند از:
- همه وسایل نقلیه (ماشین، موتور سیکلت، گاری، کشتی، هواپیما و غیره) بر اساس قانون دوم ترمودینامیک و چرخه کارنو کار می کنند. آنها می توانند از موتور بنزینی یا دیزلی استفاده کنند، اما قانون ثابت است.
- کمپرسورهای هوا و گاز، دمنده ها، فن ها در چرخه های ترمودینامیکی مختلف کار می کنند.
- تبدیل حرارت در اواپراتورها، کندانسورها، رادیاتورها، کولرها، بخاری ها استفاده می شود.
- یخچال، فریزر، سیستم های برودتی صنعتی، انواع سیستم های تهویه مطبوع و پمپ های حرارتی به دلیل قانون دوم کار می کنند.
ترمودینامیک فنی همچنین شامل مطالعه انواع مختلف نیروگاه ها می شود: حرارتی، هسته ای، برق آبی، بر اساس منابع انرژی تجدید پذیر (مانند خورشید، باد، زمین گرمایی)، جزر و مد، امواج و غیره.
