Enerji ve entropi arasındaki ilişkinin incelenmesi, teknik termodinamiğin çalıştığı şeydir. Ölçülebilir makroskopik özellikleri (sıcaklık, basınç ve hacim) enerji ve onun iş yapabilme yeteneği ile ilişkilendiren bir dizi teoriyi kapsar.
Giriş
Isı ve sıcaklık kavramları, teknik termodinamik için en temel kavramlardır. Sıcaklığa ve değişikliklerine bağlı tüm fenomenlerin bilimi olarak adlandırılabilir. Şimdi bir parçası olduğu istatistiksel fizikte, mevcut madde anlayışının dayandığı büyük teorilerden biridir. Bir termodinamik sistem, sabit bir kütle ve özdeşliğe sahip bir madde miktarı olarak tanımlanır. Onun dışındaki her şey sınırlarla ayrıldığı çevredir. Teknik termodinamiğin uygulamaları aşağıdaki gibi yapıları içerir:
- klima ve buzdolapları;
- otomotiv motorlarında turboşarjlar ve süper şarjlar;
- enerji santrallerinde buhar türbinleri;
- reaktifuçak motorları.
Isı ve sıcaklık
Her insanın sıcaklık kavramı hakkında sezgisel bir bilgisi vardır. Vücut, sıcaklığının az veya çok yüksek olmasına bağlı olarak sıcak veya soğuktur. Ancak kesin tanımı daha zordur. Klasik teknik termodinamikte, bir cismin mutlak sıcaklığı tanımlandı. Kelvin ölçeğinin yaratılmasına yol açtı. Tüm cisimler için minimum sıcaklık sıfır Kelvin'dir (-273, 15°C). Bu mutlak sıfır, kavramı ilk olarak 1702'de Fransız fizikçi Guillaume Amonton sayesinde ortaya çıktı.
Isıyı tanımlamak daha zordur. Teknik termodinamik, bunu sistemden dış ortama rastgele bir enerji transferi olarak yorumlar. Hareket eden ve rastgele darbelere maruz kalan moleküllerin kinetik enerjisine karşılık gelir (Brown hareketi). Aktarılan enerjiye, makroskopik düzeyde iş yoluyla yapılan düzenli yerine mikroskobik düzeyde düzensiz denir.
Maddenin durumu
Maddenin durumu, bir maddenin sergilediği fiziksel yapı türünün açıklamasıdır. Bir malzemenin yapısını nasıl koruduğunu tanımlayan özelliklere sahiptir. Maddenin beş hali vardır:
- gaz;
- sıvı;
- sağlam gövde;
- plazma;
- süperakışkan (en nadir).
Birçok madde gaz, sıvı ve katı fazlar arasında hareket edebilir. Plazma maddenin özel bir halidirşimşek gibi.
Isı kapasitesi
Isı kapasitesi (C), ısıdaki değişimin (ΔQ, Yunanca Delta'nın nicelik anlamına geldiği yer) sıcaklıktaki değişime (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Maddenin ne kadar kolay ısıtıldığını gösterir. İyi bir termal iletken, düşük kapasitans derecesine sahiptir. Yüksek ısı kapasitesine sahip güçlü ısı yalıtkanı.
Terminoloji
Her bilimin kendine özgü kelime dağarcığı vardır. Teknik termodinamiğin temel kavramları şunları içerir:
- Isı transferi, iki madde arasındaki karşılıklı sıcaklık değişimidir.
- Mikroskopik yaklaşım - her atom ve molekülün davranışının incelenmesi (kuantum mekaniği).
- Makroskopik yaklaşım - birçok parçacığın genel davranışının gözlemlenmesi.
- Termodinamik sistem, araştırma için seçilen uzaydaki madde veya alan miktarıdır.
- Çevre - tüm harici sistemler.
- İletimi - ısı, ısıtılmış katı bir gövdeden aktarılır.
- Konveksiyon - ısıtılan parçacıklar ısıyı başka bir maddeye geri döndürür.
- Radyasyon - ısı, örneğin güneşten gelen elektromanyetik dalgalar yoluyla iletilir.
- Entropi - termodinamikte bir izotermal süreci karakterize etmek için kullanılan fiziksel bir niceliktir.
Bilim hakkında daha fazla bilgi
Termodinamiğin ayrı bir fizik disiplini olarak yorumlanması tamamen doğru değil. Hemen hemen her şeyi etkileralanlar. Sistemin iş yapmak için iç enerjiyi kullanma yeteneği olmasaydı, fizikçilerin üzerinde çalışacak hiçbir şeyleri olmazdı. Termodinamiğin bazı çok yararlı alanları da vardır:
- Isı mühendisliği. Enerji transferinin iki olasılığını inceler: iş ve ısı. Makinenin çalışma maddesindeki enerji transferinin değerlendirilmesiyle ilişkilidir.
- Kriyofizik (kriyojenik) - düşük sıcaklık bilimi. Dünyanın en soğuk bölgesinde bile yaşanan koşullar altında maddelerin fiziksel özelliklerini araştırır. Buna bir örnek, süper akışkanlar üzerine yapılan çalışmadır.
- Hidrodinamik, sıvıların fiziksel özelliklerinin incelenmesidir.
- Yüksek basınçların fiziği. Akışkanlar dinamiği ile ilgili aşırı yüksek basınçlı sistemlerdeki maddelerin fiziksel özelliklerini araştırır.
- Meteoroloji, hava süreçleri ve tahminlere odaklanan atmosferin bilimsel çalışmasıdır.
- Plazma Fiziği - maddenin plazma halindeki çalışması.
Sıfır Kanun
Teknik termodinamiğin konusu ve yöntemi, yasalar şeklinde yazılmış deneysel gözlemlerdir. Termodinamiğin sıfırıncı yasası, iki cismin üçte biri ile aynı sıcaklığa sahip olduğunda, sırayla birbirleriyle aynı sıcaklığa sahip olduklarını belirtir. Örneğin: bir bakır blok, sıcaklık eşitlenene kadar bir termometre ile temas ettirilir. Sonra kaldırılır. İkinci bakır bloğu aynı termometre ile temas ettirilir. Cıva seviyesinde bir değişiklik olmazsa her iki bloğun da iç içe olduğunu söyleyebiliriz.bir termometre ile termal denge.
Birinci Kanun
Bu yasa, sistem durum değişikliğine uğradığında, enerjinin sınırı ısı veya iş olarak geçebileceğini belirtir. Her biri olumlu veya olumsuz olabilir. Bir sistemin net enerji değişimi her zaman sistemin sınırını geçen net enerjiye eşittir. İkincisi dahili, kinetik veya potansiyel olabilir.
İkinci Kanun
Belirli bir termal işlemin gerçekleşebileceği yönü belirlemek için kullanılır. Termodinamiğin bu kanunu, bir döngü içinde çalışan ve daha düşük sıcaklıktaki bir cisimden daha sıcak bir cisme ısı aktarmaktan başka bir etki yaratmayan bir cihaz yaratmanın imkansız olduğunu belirtir. Bu önemli özelliği tanıttığı için bazen entropi yasası olarak adlandırılır. Entropi, bir sistemin dengeye veya düzensizliğe ne kadar yakın olduğunun bir ölçüsü olarak düşünülebilir.
Termal süreç
Sistem, genellikle basınç, hacim, sıcaklık dönüşümü ile ilişkili bir tür enerji değişimi meydana geldiğinde, termodinamik bir süreçten geçer. Özel özelliklere sahip birkaç özel tür vardır:
- adyabatik - sistemde ısı değişimi yok;
- izokorik - ses seviyesinde değişiklik yok;
- izobarik - basınçta değişiklik yok;
- izotermal - sıcaklıkta değişiklik yok.
Tersinirlik
Tersinir bir süreç, gerçekleştikten sonra,iptal edildi. Ne sistemde ne de ortamda herhangi bir değişiklik bırakmaz. Tersinir olması için sistemin dengede olması gerekir. Süreci geri döndürülemez kılan faktörler var. Örneğin, sürtünme ve kaçak genişleme.
Uygulama
Modern insanlığın yaşamının birçok yönü, ısı mühendisliğinin temelleri üzerine inşa edilmiştir. Bunlar şunları içerir:
- Tüm araçlar (arabalar, motosikletler, arabalar, gemiler, uçaklar vb.) termodinamiğin ikinci yasası ve Carnot döngüsü temelinde çalışır. Benzinli veya dizel motor kullanabilirler ama kanun aynı kalır.
- Hava ve gaz kompresörleri, üfleyiciler, fanlar farklı termodinamik döngülerde çalışır.
- Isı değişimi evaporatörlerde, kondenserlerde, radyatörlerde, soğutucularda, ısıtıcılarda kullanılır.
- Buzdolapları, derin dondurucular, endüstriyel soğutma sistemleri, her türlü iklimlendirme sistemleri ve ısı pompaları ikinci kanuna göre çalışır.
Teknik termodinamik aynı zamanda çeşitli enerji santrali türlerinin incelenmesini de içerir: yenilenebilir enerji kaynaklarına (güneş, rüzgar, jeotermal gibi), gelgitler, dalgalar ve diğerleri dayalı termal, nükleer, hidroelektrik.
