Inhinyering nga Termodinamika: mga pundamento ug prinsipyo

Ang mga pundamental sa engineering thermodynamics naglalarawan sa mahalagang papel sa paghahandog ng mas maayos na mundo, sa pamamagitan ng pagpapabuti sa performance ng planta, kagamitan, at ang kanilang pangkalahatang disenyo.

Ang mga kritikal na aspeto sa pagsusuri ng performance ng kagamitan ay mga bagay tulad ng output ng final na produkto, konsumpsyon ng input na raw material, gastos sa produksyon, at pagsusuri ng epekto sa kapaligiran. Ang mga inhenyero ngayon ay gumagamit ng konsepto ng thermodynamics upang suriin at muling isulat ang mga bagay na itinakda para sa kaligtasan at kaginhawahan ng tao.

Ang siyensya ng thermodynamics ay umiiral nang matagal na simula noong ika-19th siglo. Simula noon, ang mga siyentipiko at inhenyero ay patuloy na gumagawa ng malikhain at walang pagod na pagpupursige upang gawing mas user-friendly ang siyensyang ito.

Pundamental ng Thermodynamics

Ang salitang thermodynamics ay nakuha mula sa Griyegong salitang theme (nangangahulugang init) at dynamics (nangangahulugang puwersa). Ang mga propesyonal sa inhenyeriya ay interesado sa pag-aaral ng mga sistema at ang kanilang interaksiyon sa kanilang paligid.

Ang mga konsepto/definisyon na ginagamit sa seksyong ito ay nakakatulong sa mga mambabasa sa pag-unawa sa konsepto ng engineering thermodynamics (minsan tinatawag bilang Heat-Power Engineering)

Sistema, Paligid, at Universe

Ang sistema ay ang bagay na gusto nating pag-aralan at interesado, kaya ang unang hakbang ay magtakda ng tiyak na layunin ng pag-aaral ng sistema. Ang layunin ng pag-aaral ng sistema ay maaaring pagpapabuti ng efisiensiya ng sistema o pagbabawas ng pagkawala, atbp. Halimbawa ng Sistema ay ang pag-analisa ng siklo ng refrigeration sa cold storage plant o ang pag-analisa ng Rankine cycle sa power plant.

Ang sistema ay inilarawan bilang tiyak na bigat ng malinis na sustansya na may hangganan na saradong o flexible na surface; gayunpaman, ang komposisyon ng materya sa loob ng sistema ay maaaring fix o variable depende sa cycle.

Ang dimensyon ng sistema ay hindi kinakailangang constant (tulad ng hangin sa compressor na pinipigilan ng piston) ito ay maaaring variable (tulad ng binungkal na laruin). Ang materya na naka-interaksiyon sa labas ng sistema ay tinatawag na Paligid at ang Universe ay ang resulta ng sistema at paligid.

Ang elemento na naghihiwalay sa sistema mula sa paligid nito ay tinatawag na boundary. Ang boundary ng sistema ay maaaring fixed o in motion.

Ang interaksiyon sa pagitan ng sistema at paligid ay nangyayari sa pamamagitan ng pag-cross ng boundary at kaya't may napakahalagang papel sa thermodynamics (i.e. heat and power engineering).

Mga Uri ng Sistema sa Thermodynamics

Mayroong dalawang pangunahing uri ng sistema sa thermodynamics:

1. Closed System o Control Mass: ay kaugnay sa tiyak na dami ng materya. Hindi tulad ng open system, sa closed system, walang flow ng materya na nangyayari sa boundary ng sistema. Mayroon din isang espesyal na uri ng closed system na hindi nag-iinteraksiyon at isolated mula sa paligid na tinatawag na isolated system.

2. Control Volume (Open System): Ang control volume ay limitado sa rehiyon ng space kung saan ang mass at energy ay maaaring lumipas at tumawid sa boundary ng sistema. Ang boundary ng open system ay tinatawag na controlled surface; ang controlled surface na ito ay maaaring aktwal o unreal.
   Mga halimbawa ng control volume ay mga kagamitan na may kasamang flow ng mass upang tumawid sa boundary ng sistema tulad ng flow ng tubig sa pamamagitan ng pumps, steam flow sa turbines, at air flow sa air compressors.

Microscopic Thermodynamics

Ang microscopic approach sa thermodynamics ay tinatawag ding statistical thermodynamics at kaugnay sa struktura ng materya at ang layunin ng statistical thermodynamics ay karakterisin ang average behavior ng particle na bumubuo sa sistema ng interes at sa paglipas, gamitin ang impormasyon na ito upang obserbahan ang macroscopic behavior ng sistema.

Thermodynamics Property, States, at Process

Thermodynamic Property

Ang thermodynamic property ay isang macroscopic characteristic ng sistema. Ang value ng isang property ay maaaring ibigay sa anumang oras nang walang kaalaman sa dating value at kanyang behavior.

Extensive Property

Ang mga property na dependent sa mass ay tinatawag na extensive properties at ang kanyang value para sa kabuuang sistema ay ang sum ng kanyang values para sa mga bahagi kung saan nahahati ang sistema. Mga halimbawa ng extensive property ay Volume, Energy, at Mass. Ang extensive property ay dependent sa laki ng sistema at ito ay maaaring magbago sa panahon.

Intensive Property

Kabaligtaran ng extensive property, ang intensive property ay hindi dependent sa mass at non additive sa natura at hindi dependent sa kabuuang laki ng sistema. Ito ay maaaring magbago sa iba't ibang lugar sa loob ng sistema sa anumang oras. Mga halimbawa ng intensive property ay pressure at temperature.

Thermodynamic State

Isinasaalang-alang ang state bilang kondisyon ng sistema na best described sa pamamagitan ng kanyang properties. Ang mass na nakasara sa sistema ay maaaring makita sa iba't ibang unique na kondisyon, tinatawag na state. Mayroong relasyon sa pagitan ng mga properties ng sistema ngunit ang state ay maaaring itakda sa pamamagitan ng pagbibigay ng value ng subset ng mga properties.

Thermodynamic Process

Ang mga thermodynamic process ay ang conversion ng isang state sa isa pa. Kung ang value ng macroscopic property ng sistema sa dalawang iba't ibang oras ay identiko, ang sistema ay sinasabing nasa parehong state sa oras na iyon. Ang steady state condition ng sistema ay natutuklasan kung walang kanyang properties na nagbabago sa paglipas ng oras.

System Equilibrium Cycle

Ang thermodynamic system equilibrium cycle ay isang sequential process na nagsisimula at natatapos sa kondisyon ng parehong state. Kapag natapos ang cycle, ang lahat ng kanyang properties ay may parehong value na sila noong simula. Ang lahat ng cycles na regular na umuulit ay naglalarawan ng vital na papel sa maraming application, tulad ng circulation ng condensate sa thermal power generating station na gumagamit ng cycle.

Working Substance

Ang teorya ng materya ay nakakatulong sa pag-unawa sa konsepto ng energy. Kilala ang materya sa kanyang mass, volume, at space at independe sa kanyang struktura at natura, ito ay may tiyak na characteristics tulad ng consistency at reliability. Gawa ang materya mula sa malaking bilang ng particles na tinatawag na molecules. Maaaring makita ang materya ng Solid, liquid, o gas saanman.

Sa solid materya, malapit ang molecules sa bawat isa at malakas na bounded at hindi maaaring makalipad nang malayuan. Kaya kailangan ng malaking puwersa upang baguhin ang kanyang hugis.

Hindi tiyak ang molecules sa liquid materya at kaya sapat na ang kaunti lamang na puwersa upang panatilihin ang molecules nito nang magkasama.

Sa gaseous state, ang molecules ay naglalakad nang random at libre tulad ng wala silang bounds, kaya kung sila ay nasa unbound state, sila ay lumilipad nang mabilis independe sa kanilang adjacent molecules. Ang compressibility ay kaugnay sa gases, na may maraming empty spaces sa pagitan ng connecting molecules. Ang energy ang dahilan kung bakit ang materya ay umiiral sa iba't ibang phases.

Pure Substance

Ang materya na may solo chemical structure o homogeneity sa variant chemical structure ay tinatawag na pure substances. Maaaring umiral ang materya sa isang phase tulad ng liquid o maaari ring umiral sa higit pa sa isang phase sa equilibrium sa bawat isa. Ang uniform mixture ng gases na may katulad na chemical composition ay tinatawag rin bilang pure substance.

Ang importansiya ng pure substance ay sa pagtukoy ng properties ng working substance sa iba't ibang kondisyon ng pressure at temperature.

Halimbawa: Para sa pure substance tulad ng tubig, maaaring buong ma-describe sa pamamagitan ng dalawang sovereign intensive properties na tinatawag na pressure at temperature. Iba pang pure substance ay ang hangin sa gaseous state. Ngunit para sa non-homogenous substance, higit sa dalawang properties ang kailangan upang ilarawan ang state.

Thermodynamic Equilibrium