Inseneritermodünaamika: Põhitõed ja printsiibid

Inseneritermodünaamika põhitõed mängivad olulist rolli parema maailma saavutamisel, parandades töökoja, seadmete ja nende üldise disaini jõudlust.

Seadmete jõudluse hindamisel kriitilised tegurid on sellised nagu lõppprodukti väljund, sisendraha tarbimine, tootmiskulu ja keskkonnale avaldava mõju hindamine. Tänapäeval kasutavad insinöörid termodünaamika mõistet, et uurida ja uuendada asju, mis on mõeldud inimese ohutuseks ja mugavuseks.

Termodünaamika teadus on olemas alates 19nd sajandist. Alates sellest ajast on teadlased ja insinöörid pidevalt ja järjekindlalt püüdnud seda võimalikult kasutajaliideseisvaks muuta.

Termodünaamika põhitõed

Sõna termodünaamika tuleb kreeka sõnast theme (tähendab soojust) ja dynamics (tähendab jõudu). Inseneriteadlased on huvitatud süsteemide ja nende ümbritseva keskkonnaga suhtlemisest.

See jaotises kasutatavad mõisted/määratlused aitavad lugelijal mõista inseneritermodünaamika (kadakas Soojus-Energia Inseneri) mõistet.

Süsteem, ümbritsev keskkond ja universum

Süsteem on see, mida me tahame uurida ja millega me oleme huvitatud, seega esimene samm on täpselt määrata süsteemi uurimise eesmärk. Süsteemi uurimise eesmärk võib olla näiteks süsteemi efektiivsuse parandamine või kaotuste vähendamine jne. Näiteks süsteem võib olla külmikukäsitöölaaduse analüüs hooldusplaanis või Rankine tsükli analüüs elektrijaamas.

Süsteem defineeritakse kindla massina puhtast aineest, mille piiritleb suletud või painduv pind; samuti võib süsteemi sees oleva aine koostis osutuda fikseeritud või muutuvaks sõltuvalt tsüklist.

Süsteemi mõõtmed ei pruugi olla alati konstantsed (nt õhu kompremeerimine kompresoris plungeriga) – need võivad olla muutuvad (nt uppunud pallon). Aine, mis väliselt interakteerib süsteemiga, nimetatakse ümbritsevaks keskkonnaks ja universum on süsteemi ja ümbritseva keskkonna tulemus.

Element, mis eraldab süsteemi selle ümbritsevast keskkonnast, nimetatakse piiriks. Süsteemi piir võib olla fikseeritud või liigutuma.

Süsteemi ja ümbritseva keskkonna vaheline interaktsioon toimub piiri ületamisel ja mängib seega termodünaamikas (soojus- ja energiateaduses) väga olulist rolli.

Termodünaamika süsteemid

Termodünaamikas on kaks põhiline süsteemi tüüpi:

1. Suletud süsteem või kontrollmass:: on seotud kindla kogusega ainet. Suletud süsteemis, vastupidiselt avatud süsteemile, ei toimu süsteemi piiri ületava aine massi vool. On ka spetsiaalne tüüp sulgetud süsteemist, mis ei interakteeri ega isoleeri end ümbritsevast keskkonnast, mida nimetatakse isoleerituks süsteemiks.

2. Kontrollruum (avatud süsteem): Kontrollruum piiritletakse ruumipiirkonnaga, läbi mille mass ja energia võivad voolata ja ületada süsteemi piiri. Avatud süsteemi piir nimetatakse kontrollpinnaks, see kontrollpind võib olla tegelik või imaginaarne.
   Kontrollruumi näited on seadmed, mis hõlmavad massa voolu süsteemi piiri ületamist, nt veepumpade kaudu vee vool, turbiinides aur ja õhupresside kaudu õhu vool.

Mikroskoopiline termodünaamika

Mikroskoopiline lähenemine termodünaamikas nimetatakse ka statistiliseks termodünaamikaks ja see on seotud aine struktuuriga, statistilise termodünaamika eesmärk on karakteriseerida süsteemi osana olevate osakeste keskmist käitumist ja kasutada seda informatsiooni, et jälgida süsteemi makroskoopilist käitumist.

Termodünaamika omadused, seisundid ja protsessid

Termodünaamiline omadus

Termodünaamiline omadus on süsteemi makroskoopiline iseloom. Omaduse väärtus määratakse antud ajahetkel ilma varasema väärtuse ja selle käitumise teadmata.

Laiendav omadus

Massilt sõltuvad omadused nimetatakse laiendavateks omadusteks ja nende kogusüsteemis olev väärtus on nende osade väärtuste summa, milleks süsteem on jagatud. Laiendava omaduse näited on Ruumala, Energia ja Mass. Laiendav omadus sõltub süsteemi suurusest ja see võib muutuda ajas.

Tihedane omadus

Vastupidiselt laiendavale omadusele, tihedane omadus ei sõltu massist ja see on mitte-liituv oma looduses ning ei sõltu süsteemi kogu suurusest. See võib muutuda süsteemi erinevatel kohtadel igal hetkel. Tihedase omaduse näited on rõhk ja temperatuur.

Termodünaamiline seisund

Seisund määratletakse süsteemi tingimusena, mida parima kujul kirjeldavad selle omadused. Süsteemi sees olev mass võib leiduda mitmes unikaalses seisundis, mida nimetatakse seisundiks. Omaduste vahel on seosed, kuid seisund määratakse, andes omaduste subseti väärtusi.

Termodünaamiline protsess

Termodünaamilised protsessid on ühest seisundist teise üleminek. Kui süsteemi macroskoopiliste omaduste väärtused kahel erineval ajahetkel on identseed, siis süsteem on sel ajahetkel sama seisundis. Süsteemi tasakaalu seisund saavutatakse, kui ükski selle omadustest ei muutu ajas.

Süsteemi tasakaalutsükkel

Süsteemi termodünaamiline tasakaalutsükkel on järjestikune protsess, mis algab ja lõpeb sama seisundi tingimustega. Kui tsükkel on lõpetatud, siis kõik selle omadused on sama väärtused, mida nad olid alguses. Kõik regulaarselt korduvad tsükli mängivad olulist rolli paljudes rakendusalades, näiteks termoelektrijaamas kondenseeritud vedeli ringlus toimib tsükkel.

Tööaine

Ainematerjali teooria aitab mõista energia mõistet. Aine on teada oma massi, ruumala ja ruumi poolest, ja sõltumatult selle struktuuri ja loodusest on tal teatud omadusi, nagu kooskõlastatus ja usaldusväärsus. Aine on valmistatud suurest arvust osakeste, mida nimetatakse molekulideks. Sa võid leida peen-, vedeliku- või gaasiaineteid igal pool.

Peenaimenes aines on molekulid üksteise lähedal ja tugevalt sidunud, nii et neid ei saa vabadalt liikuda. Seetõttu on vaja suurt jõudu, et muuta selle kuju.

Vedelikus aines pole molekulid nii tugevalt sidunud, seega piisab väga väikest jõudu, et hoida molekule koos.

Gaaosis aines liiguvad molekulid juhuslikult ja vabadalt, nagu oleksid nad sidusa staatusest vabanud, siis liiguvad nad väga kiiresti, olenemata oma naaber-molekulidest. Kompressiivsus on seotud gaasidega, kuna nende ühenduvate molekulide vahel on palju tühi ruumi. Energia on põhjus, miks aine eksisteerib erinevates faases.

Puht aine

Yksi keemiastruktuuriga materjal või homogeenne keemiastruktuuriga materjal nimetatakse puhta aineks. Materjal võib eksisteerida ühes faasis, nagu vedelik, või ta võib eksisteerida ka rohkem kui ühes faasis, mis on tasakaalus üksteisega. Ühtlane gaaside segane, mille keemiastruktuur on sarnane, nimetatakse ka puhta aineks.

Puhta aine tähtsus on selle tööaine omaduste määramisel erinevatel rõhu ja temperatuuri tingimustel.

Näide