مهندسی ترمودینامیک: مبانی و اصول

اصول اساسی مهندسی ترمودینامیک نقش مهمی در حرکت به سمت دنیای بهتر، از طریق بهبود عملکرد کارخانه، تجهیزات و طراحی کلی آنها، دارد.

عوامل بحرانی در ارزیابی عملکرد تجهیزات شامل مواردی مانند خروجی محصول نهایی، مصرف مواد اولیه ورودی، هزینه تولید و ارزیابی تأثیر بر محیط زیست است. مهندسان امروزی از مفهوم ترمودینامیک برای بررسی و بازآفرینی چیزهایی که برای امنیت و راحتی انسان در نظر گرفته شده‌اند، استفاده می‌کنند.

علم ترمودینامیک از قرن ۱۹م وجود داشته است. از آن زمان، دانشمندان و مهندسان تلاش مستمر و مداومی برای ساخت آن به صورت کاربرپسند کرده‌اند.

اصول اساسی ترمودینامیک

کلمه ترمودینامیک از کلمه یونانی theme (که به معنای گرما است) و dynamics (که به معنای نیرو است) گرفته شده است. متخصصان مهندسی علاقه‌مند به مطالعه سیستم‌ها و تعامل آنها با محیط اطراف هستند.

مفهوم‌ها/تعریف‌های استفاده شده در این بخش برای خوانندگان در فهم مفهوم مهندسی ترمودینامیک (گاهی اوقات به عنوان مهندسی گرما-قدرت نامیده می‌شود) مفید است.

سیستم، محیط اطراف و جهان

سیستم چیزی است که ما می‌خواهیم آن را مطالعه کنیم و به آن علاقه‌مند هستیم، بنابراین اولین قدم تعیین دقیق هدف مطالعه سیستم است. هدف مطالعه سیستم می‌تواند بهبود کارایی سیستم یا کاهش ضررهای باشد. مثالی از سیستم می‌تواند تحلیل چرخه تبرید در انبار سرد یا تحلیل چرخه رانکین در نیروگاه باشد.

سیستم به عنوان جرم معینی از ماده خالص که توسط یک سطح بسته یا انعطاف‌پذیر محدود شده است، تعریف می‌شود؛ به همین ترتیب، ترکیب ماده داخل سیستم می‌تواند ثابت یا متغیر باشد، بسته به چرخه.

ابعاد سیستم الزاماً ثابت نیست (مثل هوا در یک فشاردهنده توسط پیستون فشرده می‌شود) می‌تواند متغیر باشد (مثل یک بالون پر شده). ماده‌ای که با سیستم خارجی تعامل می‌کند به عنوان محیط اطراف شناخته می‌شود و جهان نتیجه سیستم و محیط اطراف است.

عنصری که سیستم را از محیط اطراف جدا می‌کند مرز نامیده می‌شود. مرز سیستم می‌تواند ثابت یا در حرکت باشد.

تعامل بین سیستم و محیط اطراف با عبور از مرز انجام می‌شود و بنابراین نقش بسیار مهمی در ترمودینامیک (یعنی مهندسی گرما-قدرت) دارد.

نوع‌های سیستم در ترمودینامیک

دو نوع اساسی از سیستم‌ها در ترمودینامیک وجود دارد:

1. سیستم بسته یا جرم کنترلی: با جرم معینی از ماده مرتبط است. برخلاف سیستم باز، در سیستم بسته، جریان جرمی از ماده از طریق مرز سیستم اتفاق نمی‌افتد. همچنین نوع خاصی از سیستم بسته وجود دارد که با محیط اطراف تعامل ندارد و خود را از آن جدا می‌کند که سیستم جدا شده نامیده می‌شود.

2. حجم کنترل (سیستم باز): حجم کنترل به یک منطقه از فضا محدود می‌شود که از طریق آن جرم و انرژی می‌توانند جریان داشته باشند و مرز سیستم را عبور کنند. مرز یک سیستم باز مرز کنترلی نامیده می‌شود؛ این مرز کنترلی می‌تواند واقعی یا تخیلی باشد.
   مثال‌هایی از حجم کنترل شامل تجهیزاتی است که شامل جریان جرمی برای عبور از مرز سیستم مانند جریان آب از طریق پمپ‌ها، جریان بخار در توربین‌ها و جریان هوا در فشاردهنده‌های هوا هستند.

ترمودینامیک میکروسکوپی

رویکرد میکروسکوپی در ترمودینامیک همچنین به عنوان ترمودینامیک آماری شناخته می‌شود و با ساختار ماده و هدف ترمودینامیک آماری مشخص کردن رفتار میانگین ذرات تشکیل دهنده سیستم مورد نظر و در نتیجه استفاده از این اطلاعات برای مشاهده رفتار ماکروسکوپی سیستم است.

خواص، حالات و فرآیندهای ترمودینامیکی

خاصیت ترمودینامیکی

خاصیت ترمودینامیکی یک ویژگی ماکروسکوپی از یک سیستم است. مقدار یک خاصیت می‌تواند در هر زمان داده شده بدون داشتن دانش از مقدار قبلی و رفتار آن تعیین شود.

خاصیت مکمل

خصوصیاتی که به جرم وابسته هستند خاصیت مکمل نامیده می‌شوند و مقدار آن برای سیستم کلی مجموع مقادیر آن برای بخش‌هایی که سیستم به آن تقسیم می‌شود است. مثال‌هایی از خاصیت مکمل حجم، انرژی و جرم هستند. خاصیت مکمل به اندازه سیستم بستگی دارد و می‌تواند با زمان تغییر کند.

خاصیت متمرکز

در مقابل خاصیت مکمل، خاصیت متمرکز به جرم وابسته نیست و غیرجمعی است و به اندازه کل سیستم بستگی ندارد. می‌تواند در نقاط مختلف داخل سیستم در هر لحظه متفاوت باشد. مثال‌هایی از خاصیت متمرکز فشار و دما هستند.

حالت ترمودینامیکی

حالت به عنوان شرایط یک سیستم تعریف می‌شود که بهترین توصیف آن از طریق خواص آن است. جرم محصور شده در یک سیستم می‌تواند در شرایط مختلفی یافت شود که حالت نامیده می‌شود. روابطی بین خواص یک سیستم وجود دارد اما حالت می‌تواند با ارائه مقدار زیرمجموعه‌ای از خواص مشخص شود.

فرآیند ترمودینامیکی

فرآیندهای ترمودینامیکی تبدیل یک حالت به حالت دیگر هستند. اگر مقدار خاصیت ماکروسکوپی در یک سیستم در دو زمان مختلف یکسان باشد، سیستم در آن زمان‌ها در یک حالت مشابه است. شرایط پایدار سیستم زمانی حاصل می‌شود که هیچ یک از خواص آن نسبت به زمان تغییر نکند.

چرخه تعادل سیستم

یک سیستم ترمودینامیکی چرخه تعادل یک فرآیند توالی است که با شرایط یک حالت شروع و تمام می‌شود. وقتی چرخه کامل می‌شود، همه خواص آن مقدار مشابهی با آنچه در ابتدا بودند دارند. همه چرخه‌هایی که به طور منظم تکرار می‌شوند نقش حیاتی در بسیاری از زمینه‌های کاربردی، مانند چرخه گردش کندانسور در یک ایستگاه تولید برق حرارتی، ایفا می‌کنند.

ماده کاری

نظریه ماده در فهم مفهوم انرژی مفید است. ماده به خاطر جرم، حجم و فضای خود شناخته می‌شود و صرف نظر از ساختار و ماهیت خود ویژگی‌هایی مانند همگنی و قابلیت اعتماد دارد. ماده از تعداد زیادی ذرات که مولکول‌ها نامیده می‌شوند تشکیل شده است. می‌توان ماده‌های جامد، مایع یا گاز را در هر جا یافت کرد.

در ماده جامد، مولکول‌ها به هم نزدیک هستند و به شدت متصل شده‌اند و نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند. بنابراین نیروی بزرگی برای تغییر شکل آن مورد نیاز است.

مولکول‌ها در ماده مایع به شدت متصل نیستند و بنابراین نیروی بسیار کوچکی برای نگه داشتن مولکول‌ها به هم کافی است.

در حالت گازی، مولکول‌ها به طور تصادفی و آزادانه حرکت می‌کنند، مانند حالتی که در آن محدود نیستند و بسیار سریع حرکت می‌کنند بدون در نظر