Էներգիայի և էնտրոպիայի միջև կապի ուսումնասիրությունն այն է, ինչ ուսումնասիրում է տեխնիկական թերմոդինամիկան: Այն ներառում է տեսությունների մի ամբողջ շարք, որոնք կապում են չափելի մակրոսկոպիկ հատկությունները (ջերմաստիճանը, ճնշումը և ծավալը) էներգիայի և նրա աշխատանք կատարելու կարողության հետ:
Ներածություն
Ջերմություն և ջերմաստիճան հասկացությունները ամենահիմնականն են տեխնիկական թերմոդինամիկայի համար: Այն կարելի է անվանել գիտություն բոլոր երևույթների մասին, որոնք կախված են ջերմաստիճանից և դրա փոփոխություններից։ Վիճակագրական ֆիզիկայում, որի մի մասն է այժմ այն, դա այն մեծ տեսություններից մեկն է, որի վրա հիմնված է նյութի ներկայիս ըմբռնումը։ Թերմոդինամիկական համակարգը սահմանվում է որպես ֆիքսված զանգվածի և նույնականության նյութի քանակություն: Նրանից դուրս ամեն ինչ այն միջավայրն է, որից այն բաժանված է սահմաններով: Տեխնիկական թերմոդինամիկայի կիրառությունները ներառում են այնպիսի կառույցներ, ինչպիսիք են՝
- օդորակիչներ և սառնարաններ;
- տուրբոլիցքավորիչներ և սուպերլիցքավորիչներ ավտոմոբիլային շարժիչներում;
- շոգետուրբիններ էլեկտրակայաններում;
- ռեակտիվինքնաթիռի շարժիչներ.
Ջերմություն և ջերմաստիճան
Յուրաքանչյուր մարդ ունի ջերմաստիճանի հասկացության ինտուիտիվ իմացություն: Մարմինը տաք է, թե սառը, կախված նրանից, թե նրա ջերմաստիճանը քիչ թե շատ բարձր է։ Բայց ճշգրիտ սահմանումն ավելի բարդ է։ Դասական տեխնիկական թերմոդինամիկայի մեջ որոշվել է մարմնի բացարձակ ջերմաստիճանը։ Այն հանգեցրեց Քելվինի սանդղակի ստեղծմանը: Բոլոր մարմինների համար նվազագույն ջերմաստիճանը զրո Կելվին է (-273, 15°C): Սա բացարձակ զրո է, որի գաղափարն առաջին անգամ հայտնվեց 1702 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոս Գիյոմ Ամոնտոնի շնորհիվ։
Ջերմությունը ավելի դժվար է սահմանել: Տեխնիկական թերմոդինամիկան այն մեկնաբանում է որպես էներգիայի պատահական փոխանցում համակարգից արտաքին միջավայր։ Այն համապատասխանում է մոլեկուլների շարժվող և պատահական ազդեցության ենթարկվող կինետիկ էներգիային (Բրաունյան շարժում): Հաղորդվող էներգիան կոչվում է մանրադիտակային մակարդակում անկանոն, ի տարբերություն կարգի, որը կատարվում է մակրոսկոպիկ մակարդակում աշխատանքի միջոցով:
Նյութի վիճակ
Նյութի վիճակը ֆիզիկական կառուցվածքի տեսակի նկարագրությունն է, որն արտահայտում է նյութը: Այն ունի հատկություններ, որոնք նկարագրում են, թե ինչպես է նյութը պահպանում իր կառուցվածքը: Նյութի հինգ վիճակ կա.
- գազ;
- հեղուկ;
- պինդ մարմին;
- պլազմա;
- գերհեղուկ (ամենահազվադեպը).
Շատ նյութեր կարող են շարժվել գազային, հեղուկ և պինդ փուլերի միջև: Պլազման նյութի հատուկ վիճակ էինչպես կայծակը։
Ջերմային հզորություն
Ջերմային հզորությունը (C) ջերմության փոփոխության հարաբերակցությունն է (ΔQ, որտեղ հունական նշանը Delta նշանակում է քանակ) ջերմաստիճանի փոփոխության (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Նա ցույց է տալիս նյութի տաքացման հեշտությունը: Լավ ջերմային հաղորդիչն ունի ցածր հզորության վարկանիշ: Ուժեղ ջերմամեկուսիչ՝ բարձր ջերմային հզորությամբ:
Տերմինաբանություն
Յուրաքանչյուր գիտություն ունի իր յուրահատուկ բառապաշարը: Տեխնիկական թերմոդինամիկայի հիմնական հասկացությունները ներառում են՝
- Ջերմային փոխանցումը երկու նյութերի միջև ջերմաստիճանների փոխադարձ փոխանակումն է։
- Միկրոսկոպիկ մոտեցում - յուրաքանչյուր ատոմի և մոլեկուլի վարքագծի ուսումնասիրություն (քվանտային մեխանիկա):
- Մակրոսկոպիկ մոտեցում - բազմաթիվ մասնիկների ընդհանուր վարքագծի դիտարկում։
- Թերմոդինամիկական համակարգը հետազոտության համար ընտրված նյութի կամ տարածքի քանակն է:
- Շրջակա միջավայր՝ բոլոր արտաքին համակարգեր։
- հաղորդում - ջերմությունը փոխանցվում է տաքացվող պինդ մարմնի միջոցով:
- Կոնվեկցիա. տաքացած մասնիկները ջերմությունը վերադարձնում են մեկ այլ նյութի:
- Ճառագայթում. ջերմությունը փոխանցվում է էլեկտրամագնիսական ալիքների միջոցով, օրինակ՝ արևից։
- Էնտրոպիա - թերմոդինամիկայի մեջ ֆիզիկական մեծություն է, որն օգտագործվում է իզոթերմային պրոցեսը բնութագրելու համար:
Ավելին գիտության մասին
Թերմոդինամիկայի մեկնաբանումը որպես ֆիզիկայի առանձին գիտություն ամբողջովին ճիշտ չէ: Դա ազդում է գրեթե ամեն ինչի վրատարածքներ։ Առանց աշխատանքի կատարելու համար ներքին էներգիան օգտագործելու համակարգի ունակության, ֆիզիկոսները ուսումնասիրելու ոչինչ չէին ունենա: Կան նաև թերմոդինամիկայի մի քանի շատ օգտակար ոլորտներ.
- Ջերմային ճարտարագիտություն. Այն ուսումնասիրում է էներգիայի փոխանցման երկու հնարավորություն՝ աշխատանք և ջերմություն։ Կապված է մեքենայի աշխատանքային նյութում էներգիայի փոխանցման գնահատման հետ:
- Կրիոֆիզիկա (կրիոգենիկա) - գիտություն ցածր ջերմաստիճանների մասին։ Հետազոտում է նյութերի ֆիզիկական հատկությունները նույնիսկ Երկրի ամենացուրտ տարածաշրջանում առկա պայմաններում: Դրա օրինակն է գերհեղուկների ուսումնասիրությունը։
- Հիդրոդինամիկան հեղուկների ֆիզիկական հատկությունների ուսումնասիրությունն է:
- Բարձր ճնշումների ֆիզիկա. Ուսումնասիրում է նյութերի ֆիզիկական հատկությունները չափազանց բարձր ճնշման համակարգերում՝ կապված հեղուկների դինամիկայի հետ:
- Օդերեւութաբանությունը մթնոլորտի գիտական ուսումնասիրություն է, որը կենտրոնանում է եղանակային գործընթացների և կանխատեսումների վրա:
- Պլազմայի ֆիզիկա - նյութի ուսումնասիրություն պլազմայի վիճակում:
Զրոյական օրենք
Տեխնիկական թերմոդինամիկայի թեման և մեթոդը օրենքների տեսքով գրված փորձարարական դիտարկումներն են։ Թերմոդինամիկայի զրոյական օրենքը ասում է, որ երբ երկու մարմին ունեն նույն ջերմաստիճանը երրորդի հետ, նրանք իրենց հերթին ունեն նույն ջերմաստիճանը միմյանց հետ: Օրինակ՝ պղնձի մեկ բլոկը շփվում է ջերմաչափի հետ, մինչև ջերմաստիճանը հավասարվի: Այնուհետև այն հանվում է: Պղնձի երկրորդ բլոկը շփվում է նույն ջերմաչափի հետ: Եթե սնդիկի մակարդակի փոփոխություն չկա, ապա կարելի է ասել, որ երկու բլոկներն էլ ներսում ենջերմային հավասարակշռություն ջերմաչափով։
Առաջին օրենք
Այս օրենքը ասում է, որ երբ համակարգը ենթարկվում է վիճակի փոփոխության, էներգիան կարող է անցնել սահմանը կամ ջերմության կամ աշխատանքի տեսքով: Նրանցից յուրաքանչյուրը կարող է լինել դրական կամ բացասական: Համակարգի զուտ էներգիայի փոփոխությունը միշտ հավասար է համակարգի սահմանը հատող զուտ էներգիային: Վերջինս կարող է լինել ներքին, կինետիկ կամ պոտենցիալ:
Երկրորդ Օրենք
Այն օգտագործվում է որոշելու այն ուղղությունը, որով կարող է տեղի ունենալ որոշակի ջերմային պրոցեսը: Թերմոդինամիկայի այս օրենքը ասում է, որ անհնար է ստեղծել մի սարք, որն աշխատում է ցիկլով և չի տալիս որևէ այլ ազդեցություն, քան ավելի ցածր ջերմաստիճան ունեցող մարմնից ավելի տաք մարմին ջերմություն փոխանցելը: Այն երբեմն կոչվում է էնտրոպիայի օրենք, քանի որ այն ներկայացնում է այս կարևոր հատկությունը: Էնտրոպիան կարելի է համարել որպես չափիչ, թե որքանով է համակարգը մոտ հավասարակշռությանը կամ անկարգությանը:
Ջերմային գործընթաց
Համակարգը ենթարկվում է թերմոդինամիկական գործընթացի, երբ դրանում տեղի է ունենում էներգիայի որոշակի փոփոխություն, որը սովորաբար կապված է ճնշման, ծավալի, ջերմաստիճանի փոխակերպման հետ: Կան մի քանի հատուկ տեսակներ հատուկ հատկություններով.
- ադիաբատիկ - համակարգում ջերմափոխանակություն չկա;
- իզոխորիկ - ծավալի փոփոխություն չկա;
- իզոբարիկ - ճնշման փոփոխություն չկա;
- իզոթերմ - ջերմաստիճանի փոփոխություն չկա:
շրջելիություն
Վերադարձելի գործընթացն այն գործընթացն է, որը տեղի ունենալուց հետո կարող է լինելչեղյալ է հայտարարվել։ Այն ոչ մի փոփոխություն չի թողնում ո՛չ համակարգում, ո՛չ միջավայրում։ Հետադարձելի լինելու համար համակարգը պետք է լինի հավասարակշռության մեջ: Կան գործոններ, որոնք գործընթացը դարձնում են անշրջելի։ Օրինակ՝ շփում և փախչող ընդլայնում։
Դիմում
Ժամանակակից մարդկության կյանքի շատ ասպեկտներ կառուցված են ջերմային տեխնիկայի հիմքերի վրա: Դրանք ներառում են՝
- Բոլոր տրանսպորտային միջոցները (մեքենաներ, մոտոցիկլետներ, սայլեր, նավեր, ինքնաթիռներ և այլն) գործում են թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի և Կարնո ցիկլի հիման վրա: Նրանք կարող են օգտագործել բենզինային կամ դիզելային շարժիչ, բայց օրենքը մնում է նույնը։
- Օդի և գազի կոմպրեսորները, փչակները, օդափոխիչները գործում են տարբեր թերմոդինամիկական ցիկլերով։
- Ջերմափոխանակությունը օգտագործվում է գոլորշիների, կոնդենսատորների, ռադիատորների, հովացուցիչների, ջեռուցիչների մեջ:
- Սառնարանները, սառցարանները, արդյունաբերական սառնարանային համակարգերը, բոլոր տեսակի օդորակման համակարգերը և ջերմային պոմպերն աշխատում են երկրորդ օրենքով։
Տեխնիկական թերմոդինամիկան ներառում է նաև տարբեր տեսակի էլեկտրակայանների ուսումնասիրություն՝ ջերմային, միջուկային, հիդրոէլեկտրակայաններ, որոնք հիմնված են էներգիայի վերականգնվող աղբյուրների վրա (ինչպիսիք են արևը, քամին, երկրաջերմային), մակընթացությունները, ալիքները և այլն:
