Дослідження взаємозв’язку між енергією і ентропією – це те, що вивчає технічна термодинаміка. Вона укладає в собі цілий набір теорій, які зіставляють макроскопічні властивості, піддаються вимірюванню (температуру, тиск і об’єм) з енергією і її можливістю виконання роботи.
Введення
Поняття тепла і температури є найбільш фундаментальними для технічної термодинаміки. Її можна назвати наукою про всі явища, які залежать від температури і її змін. У статистичній фізиці, частиною якої вона зараз є, це одна з великих теорій, на яких засновано нинішнє розуміння матерії. Термодинамічна система визначається як кількість речовини фіксованої маси та ідентичності. Все зовнішнє по відношенню до неї є оточенням, від якого вона відокремлена кордонами. Застосування технічної термодинаміки включає такі конструкції, як:
- кондиціонери та холодильники;
- турбонагнетатели і нагнітачі в автомобільних двигунах;
- парові турбіни на електростанціях;
- реактивні двигуни в літаках.
Тепло і температура
У кожної людини є інтуїтивне розуміння поняття температури. Тіло гаряче або холодне, в залежності від того, чи є його температура більш або менш високою. Але точне визначення складніше. У класичній технічної термодинаміки було дано визначення абсолютної температури тіла. Воно привело до створення кельвинского масштабу. Мінімальна температура для всіх тіл – нуль Кельвіна (-273,15°С). Це абсолютний нуль, концепція якого вперше з’явилася в 1702 році завдяки французькому фізику Гійому Амонтону.
Тепло важче визначити. Технічна термодинаміка тлумачить його як безладну передачу енергії із системи у зовнішнє середовище. Воно відповідає кінетичній енергії молекул, що рухаються і піддаються випадковим ударів (броунівський рух). Передається енергія називається безладної на мікроскопічному рівні, на відміну від впорядкованої, виконаної через роботу на макроскопічному рівні.
Стан речовини
Стан матерії – це опис типу фізичної структури, яку проявляє субстанція. Воно має властивості, що описують, як матеріал підтримує свою структуру. Є п’ять станів матерії:
- газ;
- рідина;
- тверде тіло;
- плазма;
- сверхтекучее (саме рідкісне).
Багато речовин можуть переходити між газової, рідкої і твердої фаз. Плазма – це особливий стан речовини, таке як блискавка.
Теплова ємність
Теплоємність (С) являє собою співвідношення зміни теплоти (ΔQ, де грецький символ Дельта позначає кількість) до зміни температури (T):
C = ∆ Q / ∆ T.
Вона показує легкість, з якою речовина нагрівається. Хороший термальний провідник має низький показник ємності. Сильний теплоізолятор має високу теплоємність.
Термінологія
Кожна наука має свій унікальний словник. До основних понять технічної термодинаміки відносяться:
Детальніше про науку
Трактування термодинаміки як окремої дисципліни фізики не зовсім вірна. Вона зачіпає практично всі області. Без здатності використовувати внутрішню енергію для виконання роботи фізикам було б нічого вивчати. Також існують кілька дуже корисних сфер термодинаміки:
Нульовий закон
Предмет і метод технічної термодинаміки – це експериментальні спостереження, записані у вигляді законів. Нульовий закон термодинаміки стверджує: коли два тіла мають рівність температури з третім, вони в свою чергу мають рівність температури один з одним. Наприклад: один блок міді вводиться в контакт з термометром до такого стану, поки не буде встановлено рівність температури. Потім видаляється. Другий блок міді приводиться в контакт з таким же термометром. Якщо при цьому не відбувається зміни рівня ртуті, то можна сказати, що обидва блоки знаходяться в тепловій рівновазі з термометром.
Перший закон
Цей закон говорить: оскільки система зазнає зміна стану, енергія може перетинати кордон або як тепло, або як робота. Кожна з них може бути позитивною або негативною. Чисте зміна енергії системи завжди дорівнює чистої енергії, яка перетинає кордон системи. Остання може бути внутрішньою, кінетичної або потенційної.
Другий закон
Він використовується для визначення напряму, в якому може відбуватися конкретний тепловий процес. Цей закон термодинаміки стверджує: неможливо створити пристрій, що працює в циклі і не робить ніякого ефекту, крім передачі тепла від тіла з низькою температурою до більш гарячого тіла. Його іноді називають законом ентропії, оскільки він вводить це важлива властивість. Ентропія може розглядатися як міра того, наскільки система близька до рівноваги або безладу.
Тепловий процес
Система піддається термодинамічному процесу, коли в ній відбувається якесь енергетичне зміна, зазвичай пов’язане з трансформацією тиску, обсягу, температури. Існує декілька специфічних типів, що володіють особливими властивостями:
- адіабатичний – без теплообміну в системі;
- ізохорний – без зміни обсягу;
- ізобарний – без зміни тиску;
- ізотермічний – без зміни температури.
Оборотність
Оборотним вважається процес, який, після того як відбувся, може бути скасований. Він не залишає ніяких змін в системі, ні в навколишньому середовищі. Щоб бути оборотною, система повинна знаходитися в рівновазі. Існують такі фактори, які роблять процес незворотнім. Наприклад, тертя і нестримне розширення.
Застосування
Багато аспектів життєдіяльності сучасного людства побудовані на основи теплотехніки. До них відносяться:
Технічна термодинаміка включає також вивчення різних типів електростанцій: теплові, атомні, гідроелектростанції, на основі відновлюваних джерел енергії (таких як сонячна, вітрова, геотермальна), припливів, хвиль та інших.
