Štúdium vzťahu medzi energiou a entropiou je to, čo študuje technická termodynamika. Zahŕňa celý súbor teórií, ktoré spájajú merateľné makroskopické vlastnosti (teplota, tlak a objem) s energiou a jej schopnosťou konať prácu.
Úvod
Pojmy tepla a teploty sú pre technickú termodynamiku najzákladnejšie. Možno ju nazvať náukou o všetkých javoch, ktoré závisia od teploty a jej zmien. V štatistickej fyzike, ktorej je dnes súčasťou, ide o jednu z veľkých teórií, na ktorých je založené súčasné chápanie hmoty. Termodynamický systém je definovaný ako množstvo hmoty s pevnou hmotnosťou a identitou. Všetko, čo je jej vonkajšie, je prostredím, od ktorého je oddelená hranicami. Aplikácie technickej termodynamiky zahŕňajú konštrukcie ako:
- klimatizácie a chladničky;
- turbodúchadlá a kompresory v automobilových motoroch;
- parné turbíny v elektrárňach;
- reaktívneletecké motory.
Teplo a teplota
Každý človek intuitívne pozná pojem teplota. Telo je horúce alebo studené, podľa toho, či je jeho teplota viac alebo menej vysoká. Presná definícia je však zložitejšia. V klasickej technickej termodynamike bola definovaná absolútna teplota telesa. Viedlo to k vytvoreniu Kelvinovej stupnice. Minimálna teplota pre všetky telesá je nula Kelvinov (-273, 15°C). Ide o absolútnu nulu, ktorej koncept sa prvýkrát objavil v roku 1702 vďaka francúzskemu fyzikovi Guillaumeovi Amontonovi.
Teplo je ťažšie definovať. Technická termodynamika ho interpretuje ako náhodný prenos energie zo systému do vonkajšieho prostredia. Zodpovedá kinetickej energii molekúl, ktoré sa pohybujú a sú vystavené náhodným nárazom (Brownov pohyb). Vysielaná energia sa nazýva neusporiadaná na mikroskopickej úrovni, na rozdiel od usporiadanej, vykonávanej prácou na makroskopickej úrovni.
Stav hmoty
Stav hmoty je popis typu fyzickej štruktúry, ktorú látka vykazuje. Má vlastnosti, ktoré opisujú, ako si materiál zachováva svoju štruktúru. Existuje päť stavov hmoty:
- gas;
- liquid;
- pevné telo;
- plazma;
- superfluid (najvzácnejší).
Mnoho látok sa môže pohybovať medzi plynnou, kvapalnou a pevnou fázou. Plazma je zvláštny stav hmotyako blesk.
Tepelná kapacita
Tepelná kapacita (C) je pomer zmeny tepla (ΔQ, kde grécky znak Delta znamená množstvo) k zmene teploty (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ukazuje ľahkosť, s akou sa látka zahrieva. Dobrý tepelný vodič má nízku kapacitu. Silný tepelný izolátor s vysokou tepelnou kapacitou.
Terminológia
Každá veda má svoj vlastný jedinečný slovník. Medzi základné pojmy technickej termodynamiky patria:
- Prenos tepla je vzájomná výmena teplôt medzi dvoma látkami.
- Mikroskopický prístup – štúdium správania každého atómu a molekuly (kvantová mechanika).
- Makroskopický prístup – pozorovanie všeobecného správania mnohých častíc.
- Termodynamický systém je množstvo látky alebo oblasti v priestore vybrané na výskum.
- Prostredie – všetky externé systémy.
- Vedenie – teplo sa prenáša cez zohriate pevné teleso.
- Konvekcia – zahriate častice vracajú teplo inej látke.
- Žiarenie – teplo sa prenáša prostredníctvom elektromagnetických vĺn, napríklad zo slnka.
- Entropia – v termodynamike je fyzikálna veličina používaná na charakterizáciu izotermického procesu.
Viac o vede
Interpretácia termodynamiky ako samostatnej disciplíny fyziky nie je úplne správna. Ovplyvňuje takmer všetkooblasti. Bez schopnosti systému využívať vnútornú energiu na prácu by fyzici nemali čo študovať. Existuje tiež niekoľko veľmi užitočných oblastí termodynamiky:
- Tepelné inžinierstvo. Skúma dve možnosti prenosu energie: prácu a teplo. Súvisí s hodnotením prenosu energie v pracovnej látke stroja.
- Kryofyzika (kryogenika) – veda o nízkych teplotách. Skúma fyzikálne vlastnosti látok v podmienkach zažitých aj v najchladnejšej oblasti Zeme. Príkladom toho je štúdium supratekutých látok.
- Hydrodynamika je štúdium fyzikálnych vlastností kvapalín.
- Fyzika vysokých tlakov. Skúma fyzikálne vlastnosti látok v systémoch s extrémne vysokým tlakom súvisiace s dynamikou tekutín.
- Meteorológia je vedecké štúdium atmosféry, ktoré sa zameriava na procesy počasia a predpovede.
- Fyzika plazmy – štúdium hmoty v plazmovom stave.
Zákon nuly
Predmetom a metódou technickej termodynamiky sú experimentálne pozorovania zapísané vo forme zákonov. Nultý termodynamický zákon hovorí, že keď majú dve telesá rovnakú teplotu s tretím, majú zase rovnakú teplotu navzájom. Napríklad: jeden blok medi sa privedie do kontaktu s teplomerom, kým sa teplota nevyrovná. Potom sa odstráni. Druhý blok medi sa privedie do kontaktu s rovnakým teplomerom. Ak nedôjde k žiadnej zmene hladiny ortuti, potom môžeme povedať, že oba bloky sú intepelná rovnováha s teplomerom.
Prvý zákon
Tento zákon uvádza, že keď systém prechádza zmenou stavu, energia môže prekročiť hranicu buď ako teplo, alebo ako práca. Každý z nich môže byť pozitívny alebo negatívny. Čistá zmena energie systému sa vždy rovná čistej energii, ktorá prekročí hranicu systému. Ten môže byť vnútorný, kinetický alebo potenciálny.
Druhý zákon
Používa sa na určenie smeru, ktorým môže prebiehať konkrétny tepelný proces. Tento zákon termodynamiky hovorí, že nie je možné vytvoriť zariadenie, ktoré pracuje v cykle a neprodukuje žiadny efekt okrem prenosu tepla z telesa s nižšou teplotou do teplejšieho telesa. Niekedy sa nazýva zákon entropie, pretože zavádza túto dôležitú vlastnosť. Entropiu možno považovať za mieru toho, ako blízko je systém k rovnováhe alebo neporiadku.
Tepelný proces
Systém prechádza termodynamickým procesom, keď v ňom nastáva nejaká zmena energie, zvyčajne spojená s premenou tlaku, objemu, teploty. Existuje niekoľko špecifických typov so špeciálnymi vlastnosťami:
- adiabatický – žiadna výmena tepla v systéme;
- izochorické – žiadna zmena objemu;
- izobarické – žiadna zmena tlaku;
- izotermický – žiadna zmena teploty.
Reverzibilita
Reverzibilný proces je taký, ktorý po jeho uskutočnení môže byťzrušené. Nezanecháva žiadne zmeny ani v systéme, ani v prostredí. Aby bol systém reverzibilný, musí byť v rovnováhe. Existujú faktory, ktoré robia proces nezvratným. Napríklad trenie a nekontrolovaná expanzia.
Aplikácia
Mnohé aspekty života moderného ľudstva sú postavené na základoch tepelného inžinierstva. Patria sem:
- Všetky vozidlá (autá, motocykle, vozíky, lode, lietadlá atď.) fungujú na základe druhého zákona termodynamiky a Carnotovho cyklu. Môžu použiť benzínový alebo naftový motor, ale zákon zostáva rovnaký.
- Vzduchové a plynové kompresory, dúchadlá, ventilátory pracujú v rôznych termodynamických cykloch.
- Výmena tepla sa používa vo výparníkoch, kondenzátoroch, radiátoroch, chladičoch, ohrievačoch.
- Chladničky, mrazničky, priemyselné chladiace systémy, všetky typy klimatizačných systémov a tepelné čerpadlá fungujú podľa druhého zákona.
Technická termodynamika zahŕňa aj štúdium rôznych typov elektrární: tepelných, jadrových, vodných, založených na obnoviteľných zdrojoch energie (ako je slnečná, veterná, geotermálna), prílivu a odlivu, vĺn a iných.
