Die Untersuchung der Beziehung zwischen Energie und Entropie ist das, was die technische Thermodynamik untersucht. Es umfasst eine ganze Reihe von Theorien, die messbare makroskopische Eigenschaften (Temperatur, Druck und Volumen) mit Energie und ihrer Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, in Beziehung setzen.
Einführung
Die Begriffe Wärme und Temperatur sind die grundlegendsten für die technische Thermodynamik. Man kann sie die Wissenschaft aller Phänomene nennen, die von der Temperatur und ihren Veränderungen abhängen. In der statistischen Physik, zu der sie jetzt gehört, ist sie eine der großen Theorien, auf denen das heutige Verständnis der Materie basiert. Ein thermodynamisches System ist definiert als eine Menge von Materie mit fester Masse und Identität. Alles Äußere ist die Umwelt, von der es durch Grenzen getrennt ist. Zu den Anwendungen der technischen Thermodynamik gehören Konstruktionen wie:
- Klimaanlagen und Kühlschränke;
- Turbolader und Kompressoren in Automotoren;
- Dampfturbinen in Kraftwerken;
- reaktivFlugzeugtriebwerke.
Wärme und Temperatur
Jeder Mensch hat ein intuitives Wissen über das Konzept der Temperatur. Der Körper ist heiß oder k alt, je nachdem, ob seine Temperatur mehr oder weniger hoch ist. Aber die genaue Definition ist schwieriger. In der klassischen technischen Thermodynamik wurde die absolute Temperatur eines Körpers definiert. Dies führte zur Schaffung der Kelvin-Skala. Die Mindesttemperatur für alle Körper beträgt null Kelvin (-273, 15 °C). Dies ist der absolute Nullpunkt, dessen Konzept erstmals 1702 dank des französischen Physikers Guillaume Amonton auftauchte.
Wärme ist schwerer zu definieren. Die technische Thermodynamik interpretiert es als eine zufällige Energieübertragung vom System zur äußeren Umgebung. Sie entspricht der kinetischen Energie von Molekülen, die sich bewegen und zufälligen Stößen ausgesetzt sind (Brownsche Bewegung). Die übertragene Energie wird auf mikroskopischer Ebene als ungeordnet bezeichnet, im Gegensatz zu geordnet, durch Arbeit auf makroskopischer Ebene.
Sachstand
Ein Aggregatzustand ist eine Beschreibung der Art der physikalischen Struktur, die eine Substanz aufweist. Es hat Eigenschaften, die beschreiben, wie ein Material seine Struktur beibehält. Es gibt fünf Aggregatzustände:
- Gas;
- flüssig;
- Festkörper;
- Plasma;
- Superfluid (das seltenste).
Viele Substanzen können sich zwischen gasförmigen, flüssigen und festen Phasen bewegen. Plasma ist ein besonderer Aggregatzustandwie ein Blitz.
Wärmekapazität
Wärmekapazität (C) ist das Verhältnis der Wärmeänderung (ΔQ, wobei das griechische Zeichen Delta für Menge steht) zur Temperaturänderung (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Sie zeigt die Leichtigkeit, mit der die Substanz erhitzt wird. Ein guter Wärmeleiter hat eine niedrige Nennkapazität. Starker Wärmeisolator mit hoher Wärmekapazität.
Terminologie
Jede Wissenschaft hat ihr eigenes einzigartiges Vokabular. Zu den Grundkonzepten der technischen Thermodynamik gehören:
- Wärmeübertragung ist der gegenseitige Austausch von Temperaturen zwischen zwei Stoffen.
- Mikroskopischer Ansatz - die Untersuchung des Verh altens jedes Atoms und Moleküls (Quantenmechanik).
- Makroskopischer Ansatz - Beobachtung des allgemeinen Verh altens vieler Teilchen.
- Thermodynamisches System ist die Menge an Substanz oder Fläche im Raum, die für die Forschung ausgewählt wurde.
- Umgebung - alle externen Systeme.
- Leitung - Wärme wird durch einen erhitzten festen Körper übertragen.
- Konvektion - erhitzte Teilchen geben Wärme an eine andere Substanz zurück.
- Strahlung - Wärme wird durch elektromagnetische Wellen übertragen, beispielsweise von der Sonne.
- Entropie - in der Thermodynamik eine physikalische Größe zur Charakterisierung eines isothermen Prozesses.
Mehr über Wissenschaft
Die Interpretation der Thermodynamik als eigenständige Disziplin der Physik ist nicht ganz richtig. Es betrifft fast allesBereiche. Ohne die Fähigkeit des Systems, interne Energie für die Arbeit zu nutzen, hätten Physiker nichts zu studieren. Es gibt auch einige sehr nützliche Bereiche der Thermodynamik:
- Wärmetechnik. Es untersucht zwei Möglichkeiten der Energieübertragung: Arbeit und Wärme. Verbunden mit der Beurteilung der Energieübertragung im Arbeitsstoff der Maschine.
- Kryophysik (Kryogenik) - die Wissenschaft der tiefen Temperaturen. Untersucht die physikalischen Eigenschaften von Substanzen unter Bedingungen, die selbst in der kältesten Region der Erde auftreten. Ein Beispiel dafür ist die Untersuchung von Superflüssigkeiten.
- Hydrodynamik ist die Lehre von den physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.
- Physik der hohen Drücke. Untersucht die physikalischen Eigenschaften von Substanzen in Systemen mit extrem hohem Druck im Zusammenhang mit der Fluiddynamik.
- Meteorologie ist die wissenschaftliche Untersuchung der Atmosphäre, die sich auf Wetterprozesse und Vorhersagen konzentriert.
- Plasmaphysik - das Studium der Materie im Plasmazustand.
Zero Law
Gegenstand und Methode der technischen Thermodynamik sind experimentelle Beobachtungen in Form von Gesetzmäßigkeiten. Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass wenn zwei Körper mit einem dritten die gleiche Temperatur haben, sie auch untereinander die gleiche Temperatur haben. Zum Beispiel: Ein Kupferblock wird mit einem Thermometer in Kontakt gebracht, bis die Temperatur gleich ist. Dann wird es entfernt. Der zweite Kupferblock wird mit demselben Thermometer in Kontakt gebracht. Wenn sich der Quecksilberspiegel nicht ändert, können wir sagen, dass beide Blöcke drin sindthermisches Gleichgewicht mit einem Thermometer.
Erstes Gesetz
Dieses Gesetz besagt, dass bei einer Zustandsänderung des Systems Energie die Grenze entweder als Wärme oder als Arbeit überschreiten kann. Jeder von ihnen kann positiv oder negativ sein. Die Nettoenergieänderung eines Systems ist immer gleich der Nettoenergie, die die Grenze des Systems überschreitet. Letzteres kann intern, kinetisch oder potentiell sein.
Zweites Gesetz
Es wird verwendet, um die Richtung zu bestimmen, in der ein bestimmter thermischer Prozess stattfinden kann. Dieses Gesetz der Thermodynamik besagt, dass es unmöglich ist, ein Gerät zu schaffen, das in einem Kreislauf arbeitet und keine andere Wirkung hat, als Wärme von einem Körper mit niedrigerer Temperatur auf einen heißeren Körper zu übertragen. Es wird manchmal als Entropiegesetz bezeichnet, weil es diese wichtige Eigenschaft einführt. Die Entropie kann als Maß dafür angesehen werden, wie nahe ein System am Gleichgewicht oder an der Unordnung ist.
Thermisches Verfahren
Das System durchläuft einen thermodynamischen Prozess, wenn in ihm eine Art Energieänderung auftritt, die normalerweise mit der Umwandlung von Druck, Volumen und Temperatur verbunden ist. Es gibt mehrere spezifische Typen mit besonderen Eigenschaften:
- adiabatisch - kein Wärmeaustausch im System;
- isochor - keine Volumenänderung;
- isobar - keine Druckänderung;
- isotherm - keine Temperaturänderung.
Reversibilität
Ein reversibler Prozess ist ein Prozess, der, nachdem er stattgefunden hat, sein kannannulliert. Es hinterlässt weder im System noch in der Umgebung irgendwelche Veränderungen. Um reversibel zu sein, muss sich das System im Gleichgewicht befinden. Es gibt Faktoren, die den Prozess irreversibel machen. Zum Beispiel Reibung und außer Kontrolle geratene Ausdehnung.
Bewerbung
Viele Aspekte des Lebens der modernen Menschheit bauen auf den Grundlagen der Wärmetechnik auf. Dazu gehören:
- Alle Fahrzeuge (Autos, Motorräder, Karren, Schiffe, Flugzeuge usw.) funktionieren auf der Grundlage des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik und des Carnot-Zyklus. Sie können einen Benzin- oder Dieselmotor verwenden, aber das Gesetz bleibt dasselbe.
- Luft- und Gaskompressoren, Gebläse und Lüfter arbeiten mit unterschiedlichen thermodynamischen Zyklen.
- Wärmeaustausch wird in Verdampfern, Kondensatoren, Heizkörpern, Kühlern, Heizungen verwendet.
- Kühlschränke, Gefrierschränke, Industriekälteanlagen, alle Arten von Klimaanlagen und Wärmepumpen arbeiten nach dem zweiten Hauptsatz.
Technische Thermodynamik umfasst auch die Untersuchung verschiedener Arten von Kraftwerken: thermische, nukleare, hydroelektrische, basierend auf erneuerbaren Energiequellen (wie Sonne, Wind, Erdwärme), Gezeiten, Wellen und andere.
