Termodinàmica d'enginyeria: Fundamentals i principis
Els fonaments de la termodinàmica d'enginyeria juguen un paper important en el camí cap a un món millor, mitjançant l'aprimament del rendiment de les instal·lacions, l'equipament i el seu disseny general.
Els factors crítics per avaluar el rendiment de l'equipament són elements com la producció final, el consum de matèria prima, el cost de producció i l'avaluació de l'impacte ambiental. Avui en dia, els enginyers utilitzen el concepte de termodinàmica per examinar i reinventar coses destinades a la seguretat i benestar humans.
La ciència de la termodinàmica existeix des del segle XIX. Des d'aleshores, científics i enginyers han estat fent un esforç constant i continu per fer-la tan amigable com sigui possible.
Fonaments de la Termodinàmica
La paraula "termodinàmica" prové de les paraules gregues "theme" (que significa calor) i "dynamics" (que significa força). Els professionals de l'enginyeria estan interessats en estudiar sistemes i la seva interacció amb el seu entorn.
Els conceptes/definicions utilitzats en aquesta secció són útils per als lectors per entendre el concepte de termodinàmica d'enginyeria (de vegades referida com a Enginyeria de Calor i Potència)
Sistema, Entorn i Univers
Un sistema és aquell que volem estudiar i en el qual estem interessats, així que el primer pas és definir precisament l'objectiu de l'estudi del sistema. L'objectiu de l'estudi del sistema pot ser millorar l'eficiència del sistema o reduir les pèrdues, etc. Un exemple de sistema podria ser analitzar el cicle de refrigeració en una planta de conservació freda o analitzar el cicle Rankine en una central elèctrica.
Un sistema es defineix com una massa definitiva de substància pura limitada per una superfície tancada o flexible; de manera similar, la composició de la matèria dins del sistema pot ser fixa o variable, depenent del cicle.
Les dimensions del sistema no són necessàriament constants (com l'aire en un compresor comprimit per un pistó) i poden ser variables (com un globus inflat). La matèria que interacciona amb el sistema externament es diu entorn i l'univers és el resultat del sistema i l'entorn.
L'element que separa el sistema del seu entorn es diu límit. El límit del sistema pot ser fix o en moviment.
La interacció entre el sistema i l'entorn es produeix creuant el límit i, per tant, joca un paper molt important en la termodinàmica (és a dir, la enginyeria de calor i potència).
Tips de Sistemes en Termodinàmica
Hi ha dos tipus bàsics de sistemes en termodinàmica:
Sistema Tancat o Massa Controlada: està associat amb una quantitat definitiva de matèria. A diferència d'un sistema obert, en un sistema tancat, no hi ha flux de massa de matèria a través del límit del sistema. Hi ha també un tipus especial de sistema tancat que no interactua i s'aisla de l'entorn, anomenat sistema aïllat.
Volum de Control (Sistema Obert): El volum de control està limitat a una regió de l'espai a través de la qual la massa i l'energia poden fluir i creuar el límit del sistema. El límit d'un sistema obert es diu superfície controlada; aquesta superfície controlada pot ser real o irreal.
Els exemples de volum de control són tipus d'equips que impliquen el flux de massa per creuar el límit del sistema, com el flux d'aigua a través de bombes, el flux de vapor en turbinas i el flux d'aire a través de compressors d'aire.
Termodinàmica Microscòpica
L'enfocament microscòpic en termodinàmica també es coneix com a termodinàmica estadística i està associat amb la estructura de la matèria, i l'objectiu de la termodinàmica estadística és caracteritzar el comportament mitjà de les partícules que constitueixen el sistema d'interès i, a partir d'aquesta informació, observar el comportament macroscòpic del sistema.
Propietats, Estats i Processos de la Termodinàmica
Propietat Termodinàmica
Una propietat termodinàmica és una característica macroscòpica d'un sistema. El valor d'una propietat es pot assignar en qualsevol moment sense conèixer el valor anterior ni el seu comportament.
Propietat Extensiva
Les propietats que depenen de la massa s'anomenen propietats extensives i el seu valor per al sistema total és la suma dels seus valors per a les parts en què es divideix el sistema. Exemples de propietats extensives són el Volum, l'Energia i la Massa. Les propietats extensives depenen de la mida del sistema i poden canviar amb el temps.
Propietat Intensiva
En contrast amb la propietat extensiva, una propietat intensiva no depèn de la massa i no és additiva per naturalesa i no depèn de la mida total del sistema. Pot variar en diferents llocs dins del sistema en qualsevol moment. Exemples de propietats intensives són la pressió i la temperatura.
Estat Termodinàmic
Un estat es defineix com la condició d'un sistema que es descriu millor per les seves propietats. La massa enclosa en un sistema es pot trobar en una varietat de condicions úniques, anomenades estat. Hi ha relacions entre les propietats d'un sistema, però l'estat es pot especificar proporcionant el valor d'un subconjunt de les propietats.
Procés Termodinàmic
Els processos termodinàmics són la conversió d'un estat a un altre estat. Si el valor de la propietat macroscòpica d'un sistema en dos moments diferents és idèntic, llavors es diu que el sistema està en el mateix estat en aquests moments. La condició d'estat estacionari del sistema s'assoleix si cap de les seves propietats canvia respecte al temps.
Cicle d'Equilibri del Sistema
Un cicle d'equilibri del sistema termodinàmic és un procés secuencial que comença i acaba amb la condició del mateix estat. Quan el cicle s'acaba, totes les seves propietats tenen el mateix valor que tenien al principi. Tots els cicles que es repeteixen regularment juguen un paper vital en molts àmbits d'aplicació, com la circulació de condensat en una estació de generació d'energia tèrmica que executa un cicle.
Substància de Treball
La teoria de la matèria és útil per entendre el concepte d'energia. La matèria es coneix per la seva massa, volum i espai, i independentment de la seva estructura i naturalesa, té certes característiques com la coherència i la fiabilitat. La matèria està formada per un gran nombre de partícules anomenades molècules. Es pot trobar matèria sòlida, líquida o gasosa a tot arreu.
En la matèria sòlida, les molècules estan pròximes i fortemente unides i no poden moure's lliurement. Per tant, es requereix una gran força per canviar-ne la forma.
Les molècules en una matèria líquida no estan firmament retingudes i, per tant, una força molt petita és suficient per mantenir les molècules juntes.
En l'estat gasós, les molècules es mouen de manera aleatòria i lliurement, com si estiguessin en un estat sense vincular, llavors es mouen molt ràpidament independentment de les seves molècules veïnes. La compressibilitat està associada amb els gasos, que tenen molts espais buits entre les molècules connectades. L'energia és la raó per la qual la matèria existeix en diferents fases.
Substància Pura
Es coneix com a substàncies pures el material d'única estructura química o homogeneïtat en estructura química variant. El material pot existir en una sola fase com líquid o també pot existir en més d'una fase en equilibri entre elles. Una mescla uniforme de gasos amb composició química similar també es denomina substància pura.
L'importància de les substàncies pures és en la determinació de les propietats de la substància de treball en diferents condicions de pressió i temperatura.
Exemple: Per a una substància pura com l'aigua, es pot descriure completament amb dues propietats intensives independents denominades pressió i temperatura. Una altra substància pura és l'aire en estat gasós. Però per a una substància no homogènia, són necessàries més de dues propietats per descriure l'estat.
