Μηχανική Θερμοδυναμική: Θεμελιώδεις Αρχές & Αρχές

Οι βασικές αρχές της μηχανικής θερμοδυναμικής παίζουν σημαντικό ρόλο στην προώθηση ενός καλύτερου κόσμου, μέσω της βελτίωσης της απόδοσης των εγκαταστάσεων, του εξοπλισμού και της συνολικής σχεδίασής τους.

Παράγοντες που είναι κρίσιμοι για την εκτίμηση της απόδοσης του εξοπλισμού είναι στοιχεία όπως το εξωτερικό προϊόν, η κατανάλωση των πρώτων υλών, ο κόστος παραγωγής και η εκτίμηση της επίδρασης στο περιβάλλον. Οι μηχανικοί σήμερα χρησιμοποιούν την έννοια της θερμοδυναμικής για να εξετάσουν και να ανακαλύψουν πράγματα που είναι στόχος της ανθρώπινης ασφάλειας και άνεσης.

Η επιστήμη της θερμοδυναμικής υπάρχει από το 19ο αιώνα. Από τότε, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί έχουν κάνει συνεχή προσπάθεια να την καταστήσουν όσο το δυνατόν πιο φιλική προς το χρήστη.

Βασικές Αρχές της Θερμοδυναμικής

Η λέξη θερμοδυναμική προέρχεται από την ελληνική λέξη θερμότητα (theme) και δύναμη (dynamics). Οι επαγγελματίες μηχανικοί ενδιαφέρονται για τη μελέτη των συστημάτων και την αλληλεπίδρασή τους με το περιβάλλον τους.

Οι εννοιολογικοί ορισμοί που χρησιμοποιούνται σε αυτή την ενότητα είναι χρήσιμοι για τους αναγνώστες στην κατανόηση της έννοιας της μηχανικής θερμοδυναμικής (σε κάποιες περιπτώσεις αναφέρεται ως Θερμοδυναμική Ισχύος).

Σύστημα, Περιβάλλον και Σύμπαν

Ένα σύστημα είναι κάτι που θέλουμε να μελετήσουμε και να εξετάσουμε, έτσι ο πρώτος βήμας είναι να καθορίσουμε ακριβώς τον στόχο της μελέτης του συστήματος. Ο στόχος της μελέτης του συστήματος μπορεί να είναι η βελτίωση της απόδοσης του συστήματος ή η μείωση των απωλειών κλπ. Παράδειγμα συστήματος μπορεί να είναι η ανάλυση του κύκλου ψύξης σε ένα κρύο αποθετήριο ή η ανάλυση του κύκλου Rankine σε μια ηλεκτροπαραγωγική εγκατάσταση.

Ένα σύστημα ορίζεται ως συγκεκριμένη μάζα καθαρού είδους που περιορίζεται από μια κλειστή ή ευέλικτη επιφάνεια· ομοίως, η σύνθεση της ύλης μέσα στο σύστημα μπορεί να είναι σταθερή ή μεταβλητή, ανάλογα με τον κύκλο.

Οι διαστάσεις του συστήματος δεν είναι απαραίτητα σταθερές (όπως ο αέρας σε έναν συμπιεστήρα που συμπιέζεται από ένα πιστόν) μπορεί να είναι μεταβλητές (όπως ένα φουσκωμένο μπαλόνι). Η ύλη που αλληλεπιδρά με το σύστημα εξωτερικά ονομάζεται περιβάλλον και το σύμπαν είναι το αποτέλεσμα του συστήματος και του περιβάλλοντος.

Το στοιχείο που χωρίζει το σύστημα από το περιβάλλον του ονομάζεται σύνορο. Το σύνορο του συστήματος μπορεί να είναι σταθερό ή σε κίνηση.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος συμβαίνει περνώντας τα σύνορα και, επομένως, παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη θερμοδυναμική (δηλαδή η θερμότητα και η ισχύς).

Τύποι Συστημάτων στη Θερμοδυναμική

Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι συστημάτων στη θερμοδυναμική:

1. Κλειστό Σύστημα ή Κλειστή Μάζα: είναι συνδεδεμένο με συγκεκριμένη ποσότητα ύλης. Σε αντίθεση με ένα ανοιχτό σύστημα, σε ένα κλειστό σύστημα, δεν συμβαίνει μεταφορά μάζας ύλης μέσω των συνόρων του συστήματος. Υπάρχει επίσης ένα ειδικό τύπο κλειστού συστήματος το οποίο δεν αλληλεπιδρά και απομονώνεται από το περιβάλλον, ονομάζεται απομονωμένο σύστημα.

2. Ελεγχόμενο Χώρο (Ανοιχτό Σύστημα): Το ελεγχόμενο χώρο περιορίζεται σε μια περιοχή χώρου μέσω της οποίας η μάζα και η ενέργεια μπορούν να διασχίσουν τα σύνορα του συστήματος. Τα σύνορα ενός ανοιχτού συστήματος ονομάζονται ελεγχόμενη επιφάνεια, η οποία μπορεί να είναι πραγματική ή φανταστική.
   Παραδείγματα ελεγχόμενου χώρου είναι εξοπλισμοί που περιλαμβάνουν ροή μάζας που διασχίζει τα σύνορα του συστήματος, όπως η ροή νερού μέσω πομπών, η ροή ατμού σε τουρμπίνες και η ροή αέρα μέσω συμπιεστών.

Μικροσκοπική Θερμοδυναμική

Η μικροσκοπική προσέγγιση στη θερμοδυναμική ονομάζεται επίσης στατιστική θερμοδυναμική και σχετίζεται με τη δομή της ύλης και το στόχο της στατιστικής θερμοδυναμικής είναι να χαρακτηρίσει τη μέση συμπεριφορά των σωματιδίων που αποτελούν το σύστημα ενδιαφέροντος και, στη συνέχεια, να χρησιμοποιήσει αυτές τις πληροφορίες για να παρατηρήσει τη μακροσκοπική συμπεριφορά του συστήματος.

Θερμοδυναμικά Ιδιότητες, Καταστάσεις και Διαδικασίες

Θερμοδυναμική Ιδιότητα

Μια θερμοδυναμική ιδιότητα είναι μια μακροσκοπική χαρακτηριστική ενός συστήματος. Η τιμή μιας ιδιότητας μπορεί να οριστεί σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή χωρίς τη γνώση της προηγούμενης τιμής και της συμπεριφοράς της.

Εκτεταμένη Ιδιότητα

Οι ιδιότητες που εξαρτώνται από τη μάζα ονομάζονται εκτεταμένες ιδιότητες και η τιμή τους για το σύνολο του συστήματος είναι η αθροίσματος των τιμών τους για τα μέρη στα οποία χωρίζεται το σύστημα. Παραδείγματα εκτεταμένων ιδιοτήτων είναι το Όγκος, η Ενέργεια και η Μάζα. Η εκτεταμένη ιδιότητα εξαρτάται από το μέγεθος του συστήματος και μπορεί να αλλάξει με την πάροδο του χρόνου.

Εντατική Ιδιότητα

Σε αντίθεση με την εκτεταμένη ιδιότητα, η εντατική ιδιότητα δεν εξαρτάται από τη μάζα και είναι μη προσθετική φύσης και δεν εξαρτάται από το συνολικό μέγεθος του συστήματος. Μπορεί να διαφέρει σε διαφορετικά σημεία μέσα στο σύστημα σε οποιαδήποτε στιγμή. Παραδείγματα εντατικών ιδιοτήτων είναι η πίεση και η θερμοκρασία.

Φιλοδώρημα