Ingeniørtermodynamik: Grundlæggende principper
Fundamentet for teknisk termodynamik spiller en vigtig rolle i at bevæge sig imod en bedre verden gennem forbedring af anlæggets, udstyr og deres overordnede design ydeevne.
De kritiske faktorer, der er afgørende for vurdering af udstyrets ydeevne, er elementer som slutproduktets udbytte, konsumtion af råmaterialer, produktionsomkostninger og vurdering af effekten på miljøet. Ingeniører i dag bruger begrebet termodynamik til at undersøge og omskabe ting, der er beregnet til menneskers sikkerhed og komfort.
Videnskaben om termodynamik har eksisteret siden det 19de århundrede. Siden da har videnskabsfolk og ingeniører konstant og vedvarende arbejdet på at gøre det så brugervenligt som muligt.
Fundamentale principper i termodynamik
Ordet termodynamik stammer fra de græske ord "therme" (betyder varme) og "dynamis" (betyder kraft). Ingeniørprofessionelle er interesseret i at studere systemer og deres interaktion med deres omgivelser.
Begreber/definitioner, der anvendes i denne sektion, er hjælpsomme for læserne i forståelsen af begrebet teknisk termodynamik (nogle gange refereret til som Varme-Kraft Engineering)
System, Omgivelser og Universet
Et system er noget, vi ønsker at studere og er interesseret i, så den første skridt er at præcisere målet for systemstudiet. Målet for systemstudiet kan være at forbedre systemets effektivitet eller reducere tab mv. Eksempel på et system kan være at analysere kølecyklussen i et køleanlæg eller at analysere Rankine-cyklussen i et kraftværk.
Et system defineres som en bestemt masse ren stof, indskrænket af en lukket eller fleksibel overflade; ligeså kan sammensætningen af stoffet inden i systemet være fast eller variabel, afhængigt af cyklussen.
Systemdimensionerne er ikke nødvendigvis konstante (som luft i en kompressor, der bliver komprimeret af en kolben), det kan være variabelt (som en opblæst ballon). Det stof, der interagerer med systemet eksternt, kaldes omgivelser, og universet er resultatet af system og omgivelser.
Det element, der adskiller systemet fra dets omgivelser, kaldes grænseoverflade. Grænseoverfladen for systemet kan være fast eller i bevægelse.
Interaktionen mellem systemet og omgivelserne finder sted ved at krydse grænseoverfladen og spiller derfor en meget vigtig rolle i termodynamik (dvs. varme- og kraftteknik).
Typer af systemer i termodynamik
Der er to grundlæggende typer af systemer i termodynamik:
Lukket System eller Kontrolleret Masse: er forbundet med en bestemt mængde stof. I modsætning til et åbent system findes der ingen massestrøm af stof, der foregår over grænseoverfladen af systemet. Der er også en speciel type lukket system, der ikke interagerer og isolerer sig selv fra omgivelserne, kaldet et isoleret system.
Kontrolleret Volumen (Åbent System): Kontrolleret volumen er begrænset til et region af rummet, gennem hvilket masse og energi kan strømme og krydse grænseoverfladen af systemet. Grænseoverfladen for et åbent system kaldes en kontrolleret overflade; denne kontrollerede overflade kan være reelt eller irrealt.
Eksempler på kontrolleret volumen er typer af udstyr, der involverer strøm af masse, der krydser grænseoverfladen af systemet, som f.eks. strøm af vand gennem pumper, dampstrøm i turbiner og luftstrøm gennem luftkompressorer.
Mikroskopisk Termodynamik
Den mikroskopiske tilgang i termodynamik kaldes også statistisk termodynamik og er forbundet med strukturen af stof, og formålet med statistisk termodynamik er at karakterisere det gennemsnitlige opførsel af partikler, der udgør det relevante system, og dernæst bruge denne information til at observere det makroskopiske opførsel af systemet.
Termodynamiske egenskaber, tilstande og processer
Termodynamisk egenskab
En termodynamisk egenskab er en makroskopisk karakteristika af et system. Værdien af en egenskab kan tildelinges på et givet tidspunkt uden kendskab til den tidligere værdi og dens opførsel.
Udbredt Egenskab
Egenskaber, der er afhængige af masse, kaldes udbredte egenskaber, og dens værdi for det samlede system er summen af dens værdier for de dele, som systemet er delt ind i. Eksempler på udbredte egenskaber er Volumen, Energi og Masse. Udbredte egenskaber afhænger af størrelsen af et system, og de kan ændres med tiden.
Intensiv Egenskab
I modsætning til udbredte egenskaber er en intensiv egenskab ikke massedependerende og ikke additiv i natur og afhænger ikke af det totale størrelse af systemet. Den kan variere på forskellige steder inden i systemet på ethvert tidspunkt. Eksempler på intensive egenskaber er tryk og temperatur.
Termodynamisk Tilstand
En tilstand defineres som betingelsen for et system, der bedst beskrives af dets egenskaber. Massen, der er indskrænket i et system, kan findes i en række unikke betingelser, kaldet tilstand. Der er relationer mellem egenskaberne af et system, men tilstanden kan specificeres ved at give værdien af en delmængde af egenskaberne.
Termodynamisk Proces
Termodynamiske processer er konverteringen af en tilstand til en anden tilstand. Hvis værdien af den makroskopiske egenskab i et system ved to forskellige tidspunkter er identiske, så siges systemet at være i samme tilstand på dette tidspunkt. Stabil tilstand af systemet opnås, hvis ingen af dets egenskaber ændrer sig med hensyn til tid.
System Ligevægtscyklus
En termodynamisk systems ligevægtscyklus er en sekventiel proces, der starter og slutter med betingelsen for samme tilstand. Når cyklussen er fuldført, har alle dets egenskaber samme værdi, som de havde i begyndelsen. Alle cykluser, der gentager sig regelmæssigt, spiller en vital rolle i mange anvendelsesområder, som f.eks. cirkulationen af kondensat i et thermisk kraftgenererende station udfører en cyklus.
Arbejdsgas
Teorien om stof er hjælpsom i forståelsen af energibegrebet. Stof er kendt for sin masse, volumen og plads, og uanset dens struktur og natur har den visse karakteristika som konsekvens og pålidelighed. Stof er lavet af et stort antal partikler, kaldet molekyler. Man kan finde stoffer af faste, flydende eller gasform overalt.
I faste stoffer er molekyler tæt på hinanden og stærkt bundet og kan ikke bevæge sig frit. Derfor kræves det en stor kraft for at ændre dets form.
Molekyler i et flydende stof er ikke fastholdt, og en meget lille kraft er tilstrækkelig til at holde molekylerne sammen.
I en gasform bevæger molekylerne sig tilfældigt og frit, som om de er i en ubunden tilstand, og bevæger sig meget hurtigt uanset deres nabo-molekyler. Kompressibilitet er forbundet med gasser, der har mange tomme mellemrum mellem de forbundne molekyler. Energi er årsagen til, at stof findes i forskellige faser.
Rent Stof
Materialer med en solo kemisk struktur eller homogenitet i variant kemisk struktur kaldes rent stof. Materialer kan findes i en enkelt fase som flydende eller kan også findes i mere end en fase i ligevægt med hinanden. En uniform blanding af gasser med samme kemiske sammensætning kaldes også rent stof.
Vigtigheden af rent stof ligger i bestemmelsen af egenskaberne for arbejdsgassen under forskellige betingelser af tryk og temperatur.
Eksempel: For rent stof som vand kan det fuldt ud beskrives ved to suveræne intensive egenskaber, kaldet tryk og temperatur. Et andet rent stof er luft i gasform. Men for inhomogent stof er mere end to egenskaber nødvendige for at beskrive tilstanden.
