مهندسی ترمودینامیک: مبانی و اصول
اصول اساسی ترمودینامیک مهندسی نقش مهمی در رسیدن به دنیای بهتر از طریق بهبود عملکرد کارخانه، تجهیزات و طراحی کلی آنها دارد.
عواملی که در ارزیابی عملکرد تجهیزات حیاتی هستند شامل مواردی مانند خروجی محصول نهایی، مصرف مواد اولیه ورودی، هزینه تولید و ارزیابی تأثیر بر محیط زیست میباشد. مهندسان امروزی از مفهوم ترمودینامیک برای بررسی و بازسازی چیزهایی که برای امنیت و راحتی انسان در نظر گرفته شدهاند استفاده میکنند.
علم ترمودینامیک از قرن ۱۹م وجود دارد. از آن زمان به بعد، دانشمندان و مهندسان تلاش مداوم و مستمری برای ساخت آن به صورت کاربرپسندتر انجام دادهاند.
اصول اساسی ترمودینامیک
کلمه ترمودینامیک از کلمه یونانی ثِما (معنی حرارت) و دینامیک (معنی نیرو) مشتق شده است. متخصصان مهندسی علاقهمند به مطالعه سیستمها و تعامل آنها با محیط اطراف هستند.
مفهومها/تعریفهایی که در این بخش استفاده شدهاند برای خوانندگان در فهم مفهوم ترمودینامیک مهندسی (گاهی به عنوان مهندسی حرارت-قدرت نامیده میشود) مفید است.
سیستم، محیط و جهان
سیستم چیزی است که ما میخواهیم 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 ضایعات باشد. مثالی از سیستم میتواند تحلیل چرخه تهویه در انبار سرد یا تحلیل چرخه رانکین در نیروگاه باشد.
سیستم به عنوان یک جرم معین از ماده خالص که توسط یک سطح بسته یا انعطافپذیر محدود شده است تعریف میشود؛ به طور مشابه، ترکیب ماده داخل سیستم میتواند ثابت یا متغیر باشد بسته به چرخه.
ابعاد سیستم لزوماً ثابت نیست (مانند هوا در یک کمپرسور که توسط یک پیستون فشرده میشود) میتواند متغیر باشد (مانند یک بالون پر هوای). مادهای که به صورت خارجی با سیستم تعامل میکند به عنوان محیط شناخته میشود و جهان نتیجه سیستم و محیط است.
عناصری که سیستم را از محیط جدا میکند مرز نامیده میشود. مرز سیستم میتواند ثابت یا در حرکت باشد.
تعامل بین سیستم و محیط با عبور از مرز اتفاق میافتد و بنابراین نقش بسیار مهمی در ترمودینامیک (یعنی مهندسی حرارت و قدرت) ایفا میکند.
نوعهای سیستم در ترمودینامیک
دو نوع اساسی از سیستمها در ترمودینامیک وجود دارد:
سیستم بسته یا جرم کنترل: با یک مقدار معین از ماده مرتبط است. برخلاف سیستم باز، در یک سیستم بسته، جریان جرم ماده از مرز سیستم عبور نمیکند. همچنین نوع خاصی از سیستم بسته وجود دارد که با محیط تعامل ندارد و خود را از محیط جدا میکند که به آن سیستم جدا شده گفته میشود.
حجم کنترل (سیستم باز): حجم کنترل به منطقهای از فضا محدود شده که انرژی و جرم میتوانند از آن عبور کنند و مرز سیستم را عبور کنند. مرز یک سیستم باز به عنوان سطح کنترل شناخته میشود؛ این سطح کنترل میتواند واقعی یا غیرواقعی باشد.
مثالهایی از حجم کنترل شامل تجهیزاتی است که شامل جریان جرم از مرز سیستم میشود مانند جریان آب از پمپها، جریان بخار در توربینها و جریان هوا از فشاریها.
ترمودینامیک میکروسکوپی
رویکرد میکروسکوپی در ترمودینامیک به عنوان ترمودینامیک آماری نیز شناخته میشود و با ساختار ماده مرتبط است و هدف ترمودینامیک آماری مشخص کردن رفتار میانگین ذرات تشکیلدهنده سیستم مورد نظر است و در نتیجه از این اطلاعات برای مشاهده رفتار ماکروسکوپی سیستم استفاده میشود.
ویژگیها، حالتها و فرآیندهای ترمودینامیکی
ویژگی ترمودینامیکی
ویژگی ترمودینامیکی یک ویژگی ماکروسکوپی از یک سیستم است. مقدار یک ویژگی میتواند در هر زمانی بدون داشتن دانش از مقدار قبلی و رفتار آن تعیین شود.
ویژگی گسترده
ویژگیهایی که به جرم بستگی دارند به عنوان ویژگیهای گسترده شناخته میشوند و مقدار آن برای سیستم کلی مجموع مقادیر آن برای بخشهایی که سیستم به آن تقسیم میشود است. مثالهایی از ویژگی گسترده حجم، انرژی و جرم هستند. ویژگی گسترده به اندازه سیستم بستگی دارد و میتواند با زمان تغییر کند.
ویژگی متمرکز
در مقابل ویژگی گسترده، ویژگی متمرکز به جرم بستگی ندارد و جمعپذیر نیست و به اندازه کل سیستم بستگی ندارد. میتواند در نقاط مختلف داخل سیستم در هر لحظه متفاوت باشد. مثالهایی از ویژگی متمرکز فشار و دما هستند.
حالت ترمودینامیکی
حالت به عنوان شرایط یک سیستم که بهترین توصیف آن از طریق ویژگیهای آن است. جرم موجود در یک سیستم میتواند در شرایط مختلفی یافت شود که حالت نامیده میشود. روابطی بین ویژگیهای یک سیستم وجود دارد اما حالت میتواند با ارائه مقدار یک زیرمجموعه از ویژگیها مشخص شود.
فرآیند ترمودینامیکی
فرآیندهای ترمودینامیکی تبدیل یک حالت به حالت دیگر هستند. اگر مقدار ویژگی ماکروسکوپی در یک سیستم در دو زمان مختلف یکسان باشد، سیستم در آن زمان در یک حالت یکسان در نظر گرفته میشود. شرایط ثابت سیستم زمانی حاصل میشود که هیچ یک از ویژگیهای آن نسبت به زمان تغییر نکند.
چرخه تعادل سیستم
یک چرخه تعادل ترمودینامیکی یک فرآیند توالیای است که با شرایط یک حالت مشابه شروع و تمام میشود. وقتی چرخه کامل شد، تمام ویژگیهای آن همان مقداری را که در ابتدا بودند دارند. تمام چرخههایی که به طور منظم تکرار میشوند نقش مهمی در بسیاری از کاربردها ایفا میکنند، مانند چرخهی چرخهی مایعات در یک ایستگاه تولید برق گرمایی که یک چرخه را اجرا میکند.
ماده کاربردی
نظریه ماده در فهم مفهوم انرژی مفید است. ماده به دلیل جرم، حجم و فضا شناخته شده است و صرف نظر از ساختار و طبیعت آن، ویژگیهایی مانند ثبات و قابلیت اطمینان دارد. ماده از تعداد زیادی ذره به نام مولکولها تشکیل شده است. میتوان مادههای جامد، مایع یا گاز را در همه جا یافت.
در ماده جامد، مولکولها به هم نزدیک هستند و به شدت پیوند شدهاند و نمیتوانند آزادانه حرکت کنند. بنابراین نیروی زیادی برای تغییر شکل آن لازم است.
مولکولها در ماده مایع به صورت محکم نگه داشته نمیشوند و بنابراین نیروی بسیار کوچکی برای نگه داشتن مولکولها به هم کافی است.
در حالت گازی مولکولها به صورت تصادفی و آ
