Inženýrská termodynamika: Základy a principy
Základy inženýrské termodynamiky hrají důležitou roli v pokroku k lepšímu světu prostřednictvím zlepšení výkonu zařízení, vybavení a jejich celkového návrhu.
Kritickými faktory při hodnocení výkonu zařízení jsou například výstup konečného produktu, spotřeba surových materiálů, náklady na výrobu a posouzení dopadu na životní prostředí. Dnešní inženýři používají koncept termodynamiky k zkoumání a vynalézavosti věcí, které jsou určeny pro bezpečnost a pohodlí lidí.
Věda o termodynamice existuje od 19. století. Od té doby vědci a inženýři neustále pracují na tom, aby ji učinili co nejvíce uživatelsky příznivou.
Základy termodynamiky
Slovo termodynamika pochází z řeckého slova thermos (což znamená teplo) a dynamis (což znamená síla). Inženýrští odborníci se zajímají o studium systémů a jejich interakci s okolím.
Koncepty/definice použité v této sekci jsou užitečné pro čtenáře k porozumění konceptu inženýrské termodynamiky (někdy označované jako tepelná energetika).
Systém, okolí a vesmír
Systém je něco, co chceme studovat a co nás zajímá, takže prvním krokem je přesně stanovit cíl studia systému. Cílem může být zlepšení efektivity systému nebo snížení ztrát atd. Příkladem systému může být analýza cyklu chladicího zařízení v chladírně nebo analýza Rankinova cyklu v elektrárně.
Systém je definován jako určitá hmotnost čisté látky ohraničená uzavřenou nebo flexibilní povrchem; podobně lze složení hmoty uvnitř systému mít pevné nebo proměnné v závislosti na cyklu.
Rozměry systému nejsou nutně konstantní (například vzduch v kompresoru je stlačen pístem) mohou být proměnné (jako nadutý balon). Hmotu, která se s systémem externě interaguje, nazýváme okolím a vesmír je výsledkem systému a okolí.
Prvek, který odděluje systém od jeho okolí, se nazývá hranice. Hranice systému může být pevná nebo se může pohybovat.
Interakce mezi systémem a okolím probíhá překračováním hranice a tedy sehrává velmi důležitou roli v termodynamice (tj. tepelné a energetické inženýrství).
Typy systémů v termodynamice
Existují dva základní typy systémů v termodynamice:
Uzavřený systém nebo kontrolní hmota: je spojen s určitou množstvím hmoty. Na rozdíl od otevřeného systému, v uzavřeném systému nedochází k toku hmoty přes hranici systému. Existuje také speciální typ uzavřeného systému, který se neinteraguje a izoluje se od okolí, a to je izolovaný systém.
Kontrolní objem (otevřený systém): Kontrolní objem je omezen na oblast prostoru, přes kterou mohou proudit hmoty a energie a překročit hranici systému. Hranice otevřeného systému se nazývá kontrolní povrch; tento kontrolní povrch může být skutečný nebo neexistující.
Příklady kontrolních objemů jsou druhy zařízení, které zahrnují proudění hmoty přes hranici systému, jako je proudění vody v čerpadlech, párový tok v turbínách a proudění vzduchu v kompresorech.
Mikroskopická termodynamika
Mikroskopický přístup v termodynamice se také nazývá statistická termodynamika a je spojen se strukturou hmoty a cílem statistické termodynamiky je charakterizovat průměrné chování částic, které tvoří systém, a tímto informací pozorovat makroskopické chování systému.
Vlastnosti, stavy a procesy v termodynamice
Termodynamická vlastnost
Termodynamická vlastnost je makroskopická charakteristika systému. Hodnota vlastnosti může být přiřazena v libovolném daném čase bez znalosti předchozí hodnoty a jejího chování.
Rozsáhlá vlastnost
Vlastnosti, které jsou závislé na hmotnosti, se nazývají rozsáhlé vlastnosti a jejich hodnota pro celkový systém je součtem jejich hodnot pro části, do kterých je systém rozdělen. Příklady rozsáhlých vlastností jsou Objem, Energie a Hmotnost. Rozsáhlá vlastnost závisí na velikosti systému a může se měnit s časem.
Intenzivní vlastnost
Na rozdíl od rozsáhlé vlastnosti, intenzivní vlastnost není závislá na hmotnosti a není aditivní a nezávisí na celkové velikosti systému. Může se lišit v různých místech uvnitř systému v jakémkoli okamžiku. Příklady intenzivních vlastností jsou tlak a teplota.
Termodynamický stav
Stav je definován jako podmínka systému, která je nejlépe popsána jeho vlastnostmi. Hmotu uzavřenou v systému lze nalézt v různých jedinečných podmínkách, které se nazývají stav. Mezi vlastnostmi systému existují vztahy, ale stav lze určit zadáním hodnoty podmnožiny vlastností.
Termodynamický proces
Termodynamické procesy jsou převod jednoho stavu na jiný stav. Pokud mají hodnoty makroskopických vlastností v systému ve dvou různých časových momentech stejné, systém se říká, že je ve stejném stavu v tomto čase. Stabilní stav systému je dosažen, pokud žádná z jeho vlastností se nemění vzhledem k času.
Cyklus rovnováhy systému
Cyklus rovnováhy termodynamického systému je postupný proces, který začíná a končí ve stejném stavu. Když cyklus skončí, všechny jeho vlastnosti mají stejnou hodnotu, jakou měly na začátku. Všechny cykly, které se pravidelně opakují, hrají klíčovou roli v mnoha oblastech aplikace, například oběh kondenzátu v tepelné elektrárně provádí cyklus.
Pracovní látka
Teorie hmoty je užitečná pro porozumění konceptu energie. Hmota je známá pro svou hmotnost, objem a prostor a bez ohledu na svou strukturu a povahu má určité charakteristiky, jako je konzistence a spolehlivost. Hmota je tvořena velkým počtem částic, které se nazývají molekuly. Lze najít hmotu v pevném, kapalném nebo plynném stavu všude.
V pevné hmotě jsou molekuly blízko sebe a silně vázané a nemohou se volně pohybovat. Takže pro změnu tvaru je potřeba velké síly.
Molekuly v kapalné hmotě nejsou pevně drženy a tak malá síla stačí, aby se molekuly držely spolu.
V plynném stavu se molekuly pohybují náhodně a volně, jako by byly v neomezeném stavu, pak se pohybují velmi rychle bez ohledu na sousední molekuly. Stlačitelnost je spojena s plyny, které mají mnoho prázdých míst mezi spojujícími molekulami. Energie je důvodem, proč hmota existuje v různých fázích.
Čistá látka
Látka s jednotnou chemickou strukturou nebo homogenní variabilní chemickou strukturou se nazývá čistá látka. Materiál může existovat v jedné fázi, jako je kapalina, nebo může existovat v více fázích v rovnováze s sebou. Uniformní směs plynů se stejnou chemickou složitostí se také označuje jako čistá látka.
Důležitost čisté látk
