Инженерна термодинамика: основи и принципи

Основите на инженерната термодинамика играят важна роля във възхода към по-добър свят, чрез подобряване на производителността на предприятията, оборудването и техния цялостен дизайн.

Фактори, които са критични за оценката на производителността на оборудването, включват неща като изхода на крайния продукт, консумацията на входящия суров материал, цената на производството и оценката на влиянието върху околната среда. Инженерите днес използват концепцията на термодинамика, за да разглеждат и преосмислят неща, предназначени за безопасността и удобството на хората.

Науката за термодинамиката съществува от 19ви век. От тогава учени и инженери постоянно правят усилия да я направят колкото е възможно по-лесна за ползване.

Основи на термодинамиката

Думата термодинамика произлиза от гръцката дума тема (означава топлина) и динамика (означава сила). Професионалистите в областта на инженерните науки са заинтересовани в изучаването на системи и техните взаимодействия с околната среда.

Концепции/дефиниции, използвани в тази секция, помагат на читателите да разберат концепцията на инженерната термодинамика (понякога наричана Топло-Енергийна Инженерия).

Система, Окръжност и Вселена

Системата е нещо, което искаме да изучаваме и интересува, затова първата стъпка е да определим точно целта на изучаването на системата. Целта на изучаването на системата може да бъде подобряване на ефективността на системата или намаляване на загубите и т.н. Пример за система може да бъде анализ на рефрижераторния цикъл в хладилно съоръжение или анализ на Ранкиновия цикъл в електроцентрала.

Системата се дефинира като определена маса от чисто вещество, ограничено от затворена или гъвкава повърхност; съответно, съставът на веществото в системата може да бъде фиксиран или променлив, в зависимост от цикъла.

Размерите на системата не са необходима константа (като въздухът в компресора се компресира от порш), те могат да бъдат променливи (като надуван балон). Веществото, което взаимодейства с системата външно, се нарича Окръжност, а Вселената е резултатът от системата и околната среда.

Елементът, който разделя системата от нейната окръжност, се нарича граница. Границата на системата може да бъде фиксирана или в движение.

Взаимодействието между системата и околната среда се осъществява, като преминава през границата, и така играе много важна роля в термодинамиката (т.е. топло-енергийна инженерия).

Типове системи в термодинамиката

Има два основни типа системи в термодинамиката:

1. Затворена система или контролирана маса: се свързва с определено количество материя. В отличие от отворена система, в затворена система, няма поток на материя, който преминава през границата на системата. Също има специален тип затворена система, която не взаимодейства и е изолирана от околната среда, наречена изолирана система.

2. Контролиран обем (Отворена система): Контролиран обем е ограничен до регион на пространството, през който маса и енергия могат да протекат и да преминат границата на системата. Границата на отворена система се нарича контролирана повърхност; тази контролирана повърхност може да бъде действителна или нереална.
   Примери за контролиран обем са видове оборудване, които включват поток на маса, за да преминат границата на системата, като поток на вода през насоси, поток на пара в турбини и поток на въздух през компресори.

Микроскопична термодинамика

Микроскопичния подход в термодинамиката се нарича също статистическа термодинамика и е свързан със структурата на веществото, а целта на статистическата термодинамика е да характеризира средното поведение на частиците, които образуват интересната система, и след това да използва тази информация, за да наблюдава макроскопичното поведение на системата.

Термодинамично свойство, състояние и процес

Термодинамично свойство

Термодинамичното свойство е макроскопична характеристика на система. Стойността на свойството може да бъде зададена във всеки момент без знание за предходната стойност и неговото поведение.

Разширено свойство

Свойства, зависещи от масата, се наричат разширени свойства, и стойността им за цялата система е сумата от техните стойности за частите, в които е разделена системата. Примери за разширени свойства са Обем, Енергия и Маса. Разширено свойство зависи от размера на системата и може да се променя с времето.

Интензивно свойство

В противоположност на разширено свойство, интензивното свойство не зависи от масата и е невъзможно за добавяне по природа и не зависи от общия размер на системата. То може да варира на различни места в системата във всеки момент. Примери за интензивно свойство са налягане и температура.

Термодинамично състояние

Състоянието се дефинира като условие на система, което най-добре се описва чрез нейните свойства. Масата, заключена в система, може да се намери в различни уникални условия, наречени състояние. Има отношения между свойствата на системата, но състоянието може да бъде определено, като се предостави стойността на подмножество от свойствата.

Термодинамичен процес

Термодинамични процеси са преобразуване на едно състояние в друго. Ако стойността на макроскопичното свойство в системата в два различни моменти са идентични, системата се счита за в същото състояние в този момент. Устойчивото състояние на системата се постига, ако никое от нейните свойства не се променя спрямо времето.

Цикъл на равновесие на системата

Цикъл на равновесие на термодинамична система е последователен процес, който започва и завършва със същото състояние. Когато цикълът е завършен, всички негови свойства имат същата стойност, каквато беше в началото. Всички цикли, които се повторяват регулярно, играят важна роля в много области на приложение, като циркулацията на кондензат в термална електроцентрала изпълнява цикъл.

Работещо вещество

Теорията на материята помага в разбирането на концепцията за енергия. Материята е известна със своята маса, обем и пространство, и независимо от структурата и природата си, има определени характеристики като консистентност и надеждност. Материята е съставена от голям брой частици, наречени молекули. Можете да намерите материя в твърдо, течно или газово състояние навсякъде.

В твърда материя, молекулите са близо един до друг и силно свързани, и не могат да се движе свободно. Така, за да се промени формата ѝ, е нужна голяма сила.

Молекулите в течно вещество не са здраво свързани, и така много малка сила е достатъчна, за да ги държи заедно.

В газово състояние молекулите се движат случайно и свободно, сякаш са в независимо състояние, и се движат много бързо, независимо от съседните молекули. Компресибността е свързана с газовете, които имат много празни пространства между свързаните молекули. Енергията е причината материята да съществува в различни фази.

Чисто вещество

Материал с единствена химическа структура или хомогенност в изменяема химическа струк