Ingeguritzaren Termodinamika: Oinarrizko eta Printzipioak

Ingeniaritza termodinamikaren oinarriak garrantzitsu dira mundu hobetan zehar, instalazioen, gailuen eta haien diseinu orokorrearen errendamentuan hobekuntza egitean.

Gailuaren errendamentua ebaluatzean kritikoak diren faktoreak dira produktu finalaren emaitza, material oharren konsumo, kostuak eta ingurumenaren eragina. Gaurko ingeniariei termodinamika kontzeptua erabili dute gizartean segurtasuna eta komoditatea baimenduko dituzten zerbietan ikertzen eta berriro sortzeko.

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Termodinamikaren Oinarriak

Termodinamika hitza grezierazko thema (esaten duen热量工程热力学的基本原理在迈向更美好的世界中起着重要作用，通过提高工厂、设备及其整体设计的性能。 评估设备性能的关键因素包括最终产品的产量、输入原材料的消耗、生产成本以及对环境影响的评估。如今的工程师们正在使用热力学的概念来检查和重新发明旨在保障人类安全和舒适的事物。 自19世纪以来，热力学科学就已经存在。从那时起，科学家和工程师们一直在不断努力使其尽可能用户友好。 ### 热力学基础 热力学这个词来源于希腊语theme（意思是热）和dynamics（意思是力）。工程专业人员感兴趣的是研究系统及其与周围环境的相互作用。 本节中使用的概念/定义有助于读者理解工程热力学的概念（有时也称为热能工程）。 #### 系统、周围环境和宇宙 系统是我们想要研究并感兴趣的，因此第一步是精确确定系统研究的目标。系统研究的目标可以是提高系统的效率或减少损失等。例如，系统可以是分析冷藏库中的制冷循环或分析发电厂中的朗肯循环。 系统被定义为由封闭或柔性表面包围的一定质量的纯物质；同样地，系统内部物质的组成可以根据循环固定或变化。 系统的尺寸不必是恒定的（如空气在压缩机中被活塞压缩），它可以是可变的（如充气气球）。与系统外部相互作用的物质称为周围环境，而宇宙则是系统和周围环境的结果。 将系统与其周围环境分隔开的元素称为边界。系统的边界可以是固定的或移动的。 系统与周围环境之间的相互作用通过跨越边界进行，因此在热力学（即热能工程）中起着非常重要的作用。 #### 热力学中的系统类型 热力学中有两种基本类型的系统： 1. **封闭系统或控制质量**：与一定数量的物质相关联。与开放系统不同，在封闭系统中，没有物质流过系统的边界。还有一种特殊的封闭系统，它不与周围环境相互作用，称为孤立系统。 2. **控制体积（开放系统）**：控制体积限定了一个空间区域，其中质量和能量可以流动并穿过系统的边界。开放系统的边界称为受控表面；这个受控表面可以是实际的或虚拟的。控制体积的例子包括涉及质量流过系统边界的设备，如水泵中的水流、蒸汽轮机中的蒸汽流和空气压缩机中的气流。 ### 微观热力学 微观热力学方法也称为统计热力学，与物质的结构有关，其目的是表征构成所关注系统的粒子的平均行为，并进而利用这些信息观察系统的宏观行为。 ### 热力学性质、状态和过程 #### 热力学性质 热力学性质是系统的宏观特征。属性的值可以在任何给定时间分配，而无需知道以前的值及其行为。 #### 广延性质 依赖于质量的属性称为广延属性，其在整个系统中的值是将其划分为部分后的各个部分的值之和。广延属性的例子有体积、能量和质量。广延属性取决于系统的大小，并且可以随时间变化。 #### 强度属性 与广延属性相反，强度属性不依赖于质量，是非叠加的，并且不依赖于系统的总大小。它可以在系统内的不同位置随时变化。强度属性的例子是压力和温度。 #### 热力学状态 状态被定义为系统的条件，最好用其属性来描述。系统中的质量可以处于各种独特条件下，称为状态。系统属性之间存在关系，但可以通过提供属性子集的值来指定状态。 #### 热力学过程 热力学过程是从一种状态到另一种状态的转换。如果系统在两个不同时间点的宏观属性值相同，则称该系统在这两个时间点处于同一状态。如果系统的任何属性都不随时间变化，则达到稳定状态。 ### 系统平衡循环 热力学系统平衡循环是一个顺序过程，开始和终止时的状态相同。当循环完成时，所有属性都具有与开始时相同的值。定期重复的所有循环在许多应用领域中发挥着至关重要的作用，如热力发电站中的凝结水循环执行一个循环。 ### 工作物质 物质理论有助于理解能量的概念。物质以其质量、体积和占据的空间而闻名，无论其结构和性质如何，它都具有一致性和可靠性等特性。物质由大量称为分子的粒子组成。固体、液体或气体无处不在。 在固态物质中，分子彼此靠近且紧密结合，无法自由移动。因此，改变其形状需要很大的力。 液态物质中的分子结合得不那么牢固，因此很小的力就足以使分子保持在一起。 在气态状态下，分子随机且自由地移动，好像处于未束缚状态，然后它们快速移动，而不考虑相邻分子。压缩性与气体相关，连接分子之间有许多空隙。能量是物质以不同相态存在的原因。 ### 纯物质 单一化学结构或变异化学结构均匀的材料称为纯物质。材料可以存在于单相（如液体）中，也可以存在于彼此平衡的多个相中。具有相似化学组成的气体均匀混合物也称为纯物质。 纯物质的重要性在于确定工作物质在不同压力和温度条件下的性质。 **示例**：对于像水这样的纯物质，可以用两个独立的强度属性——压力和温度来完全描述。另一种纯物质是气态的空气。但对于非均质物质，需要两个以上的属性来描述状态。 ### 热力学平衡 在力学中，当平衡相反的力时，我们说达到了平衡。但热力学平衡的意义更为深远，因为它涉及到许多其他影响（系统与周围环境之间）的平衡，而不仅仅是平衡相反的力。为了在系统内达到完全平衡，需要满足机械、热、相和化学平衡的条件。 在本节中，我们将讨论限制在热力学平衡。经典热力学最能描述平衡状态及其从一个平衡到另一个平衡的变化。 如果状态固定，则称系统处于平衡状态。为了分配状态，必须准确测量诸如压力和温度之类的强度属性。如果由于轻微扰动，系统的强度属性不发生变化，则称该系统处于热力学平衡状态。 在这种情况下，系统与周围环境提供的约束处于完全稳定状态。 ### 实际过程和准静态过程 在实际过程中，由于系统中存在的各种非平衡效应，系统可以被认为是非平衡状态，从而显示出压力和温度的变化。 在准静态（准平衡）过程中，偏离热力学平衡状态的程度极小。因此，在准静态过程中，系统经过的所有状态都被认为是平衡状态。 准静态用于推导各种广延属性（如熵、内能、比热和焓等）之间的关系。 ### 尺寸和单位 物理量以其尺寸表示，如果给定该尺寸的大小，则称为单位。工程计算的前提是物理量具有相同的单位。 一些重要的尺寸，如质量（m）、长度（L）、时间（t）和温度（T）被称为基本尺寸。全球的工程师和科学家主要使用两种单位：英制单位和公制单位（SI）。SI单位表示法更为合理，专业人士普遍使用。 | 基本尺寸 | 公制（SI）单位 | 英制单位 | | --- | --- | --- | | 长度 | 米 (m) | 英尺 (ft) | | 质量 | 千克 (kg) | 磅 (lb) | | 时间 | 秒 (s) | 秒 (s) | | 温度 | 开尔文 (K) | 华氏度 (Fahrenheit) | | 电流 | 安培 (A) | 安培 (A) | ### 次级尺寸和单位 次级尺寸或导出尺寸是用基本尺寸表示的，如速度（V）、能量（E）和体积（V）、力、功率、热量等。 力在SI单位中被视为次级尺寸，因为它的单位源自牛顿第二定律，即 \[ F = m \cdot a \] \[ 1 \, \text{N} = 1 \, \text{kg} \cdot \text{m/s}^2 \] 力被定义为加速1千克质量以1米/秒²的速度所需的力。 重量和质量不应视为相同。重量是作用在物体上的重力，其大小由牛顿第二定律确定 \[ W = m \cdot g \] \[ 1 \, \text{N} = 1 \, \text{kg} \cdot \text{m/s}^2 \] 比重（y）定义为单位体积物质上的重力，由 \( y = (\rho) \times g \, \text{N/m}^3 \) 确定。因此，无论在宇宙中的哪个位置，物体的质量保持不变。当重力加速度变化时，物体的重量也会变化。在山顶上，由于海拔高度增加，g减小，物体的重量会减轻。 比体积（ϑ）和密度（ρ）都是强度属性，可能会因点而异。密度的倒数是比体积。 **压力**：压力被定义为液体或气体情况下每单位面积的正常力。在固体中，压力相当于正应力。 压力和应力的SI单位是帕斯卡（N/m²）。其他压力单位如下所示： | 1帕斯卡 | 1 N/m² | | --- | --- | | 1千帕斯卡 | 10³ N/m² | | 1巴 | 10⁵ N/m² | | 1兆帕斯卡 | 10⁶ N/m² | | 1标准大气压 | 101.325 kPa = 1.01325巴 | | 1巴 | 100 kPa = 0.1兆帕斯卡 | | 1 kgf/cm² | 9.807 N/cm² = 0.9807巴 = 0.9679标准大气压 | 绝对压力与给定点的实际压力有关，测量是相对于绝对真空或绝对零压力进行的。给定点的实际压力称为绝对压力，相对于绝对真空（绝对零压力）进行测量。 低于大气压的压力称为真空压力，由真空表测量，指示“大气压”与“绝对压力”之间的差值。 上图最佳描述了绝对压力、大气压、表压和真空压力之间的关系。 ### 能量及其形式 能量被定义为做功的能力。能量输入总是会对系统的物质产生某种效果。 两种主要的能量类型是：储存能量和传输中的能量 1. 物质中储存的能量可以有多种形式，如内能（IE）、动能（KE）、势能（PE）、化学能（CE）、电能（EE）、核能（NE）。这些能量的详细内容将在下一节中讨论。 2. 传输中的能量 **热** 热被定义为由于系统和周围环境之间的温差而通过系统边界传递的能量，而不伴随质量的传递。传输中的能量单独称为热。传递过程中传递的热量取决于路径，而不仅仅取决于最终条件。 **功** 当力F用于移动一个或多个粒子通过距离x时，这称为功。在下面的活塞-气缸装置中，为了减小系统的体积V，需要做功。因此，由于活塞运动导致系统体积的微小变化与通过力-距离乘积的关系式为： \[ dW = Fdx = pAdx = pdV \, [\text{ft-lbf} | \text{Nm}] \] \[ dw = pdv \, [\text{Btu/lbm} | \text{kJ/kg}] \] 其中，p是系统压力，A是面积，F是力，x是增量距离，W是功，V是体积。 方程1和2中的小写字母表示基于单位质量的工作和体积。带有小写字母的广延属性称为特定属性。方程1采用英制单位，而方程2采用英国热量单位（BTU），这两个单位集通过一个称为热的机械当量的换算因子联系起来，其值为778 ft-lbf/Btu。 陈述：尊重原创，好文章值得分享，如有侵权请联系删除。