Insinöörimekaniikka: Perusteet ja periaatteet
Insinöörimekaniikan perusteet ovat tärkeitä paremman maailman luomisessa parantamalla laitosten, laitteiden ja niiden yleisen suunnittelun suorituskykyä.
Laiteen suorituskyvyn arvioinnissa kriittisiä tekijöitä ovat lopputuotteen tuotanto, raaka-aineen kulutus, tuotantokustannukset ja ympäristövaikutusten arviointi. Nykyiset insinöörit käyttävät mekaniikkaa ihmisen turvallisuuden ja mukavuuden tarkoituksiin tarkastellakseen ja uudistellakseen asioita.
Mekaniikan tieteenala on olemassa jo 19th vuosisatasta lähtien. Tiedemiehet ja insinöörit ovat jatkuvasti pyrkineet tekemään sitä mahdollisimman käyttäjäystävälliseksi.
Mekaniikan perusteet
Sana mekaniikka on johdettu kreikan sanasta theme (tarkoittaa lämpöä) ja dynamiikka (tarkoittaa voimaa). Insinöörit haluavat tutkia järjestelmiä ja niiden ympäristön kanssa tapahtuvaa vuorovaikutusta.
Tässä osiossa käytetyt käsitteet ja määritelmät ovat hyödyllisiä lukijoille insinöörimekaniikan (joskus kutsutaan Lämpövoimatekniikaksi) ymmärtämiseksi.
Järjestelmä, ympäristö ja universumi
Järjestelmä on se, mitä haluamme tutkia, joten ensimmäinen askel on määrittää tarkasti järjestelmän tutkimuksen tavoite. Järjestelmän tutkimuksen tavoitteena voi olla esimerkiksi järjestelmän tehokkuuden parantaminen tai häviöiden vähentäminen. Järjestelmän esimerkkeinä voivat olla jäähdytyskierron analysointi pakastevarastossa tai Rankinen kierto voimalassa.
Järjestelmä määritellään tietyksi massaksi puhtaalle aineelle suljetulla tai joustavalla pinnalla; samoin aineen koostumus järjestelmän sisällä voi olla vakaa tai muuttuva riippuen syklöstä.
Järjestelmän ulottuvuudet eivät ole välttämättä vakio (kuten ilma kompressoriin painetaan pistokepillä), ne voivat olla muuttuvia (kuten täytetty ilmapallo). Aine, joka vuorovaikuttaa järjestelmän kanssa ulkopuolelta, on ympäristö ja universumi on järjestelmän ja ympäristön summa.
Elementti, joka erottaa järjestelmän sen ympäristöstä, on raja. Järjestelmän raja voi olla paikallaan tai liikkeessä.
Järjestelmän ja ympäristön välinen vuorovaikutus tapahtuu rajan yli ja näin sillä on erityinen rooli mekaniikassa (eli lämpö- ja voimatekniikassa).
Mekaniikan järjestelmätyypit
Mekaniikassa on kaksi peruslaista järjestelmiä:
Suljettu järjestelmä tai kontrolli massa: on yhdistetty tiettyyn määrään aineetta. Suljetussa järjestelmässä ei tapahdu aineen virtausta rajan yli. On myös erityinen tyyppi suljetusta järjestelmästä, joka ei vuorovaikuta ja eristää itseään ympäristöstä, ja se on nimeltään eristetty järjestelmä.
Kontrolli tilavuus (Avoin järjestelmä): Kontrolli tilavuus on rajoitettu alueeseen, jossa energia ja massa voivat virtautua ja ylittää järjestelmän rajan. Avoin järjestelmän raja on nimeltään kontrolloitu pinta; tämä kontrolloitu pinta voi olla todellinen tai epäreaalinen.
Kontrolli tilavuuden esimerkkeinä ovat laitteet, jotka sisältävät massan virtauksen rajan yli, kuten vedenvirtaus pumpuissa, höyryvirtaus turbiineissa ja ilmavirtaus ilmakehityksissä.
Mikroskooppinen mekaniikka
Mikroskooppinen lähestymistapa mekaniikassa on myös tunnettu statistisena mekaniikkana ja se liittyy aineen rakenteeseen, ja sen tavoitteena on karakterisoida keskimääräistä käyttäytymistä järjestelmän interesseihin kuuluvien osien tekevien osien ja käyttää tätä tietoa havainnoidaksemme järjestelmän makroskooppista käyttäytymistä.
Mekaniikan ominaisuudet, tilat ja prosessit
Mekaniikan ominaisuus
Mekaniikan ominaisuus on järjestelmän makroskooppinen piirre. Ominaisuuden arvo voidaan määrittää missä tahansa ajassa ilman edellisen arvon tietämistä ja sen käyttäytymistä.
Yleinen ominaisuus
Ominaisuudet, jotka ovat riippuvaisia massasta, ovat yleisiä ominaisuuksia, ja niiden arvo koko järjestelmälle on niiden arvojen summa, joihin järjestelmä on jaettu. Yleisten ominaisuuksien esimerkkeinä ovat tilavuus, energia ja massa. Yleinen ominaisuus riippuu järjestelmän koon ja se voi muuttua ajan myötä.
Tiivis ominaisuus
Vastakohtaisesti yleiseen ominaisuuteen, tiivis ominaisuus ei ole riippuvainen massasta eikä lisäyksellinen luonteeltaan eikä riipu järjestelmän kokonaismäärästä. Se voi vaihdella eri paikoissa järjestelmässä missä tahansa hetkessä. Tiivisten ominaisuuksien esimerkkeinä ovat paine ja lämpötila.
Mekaniikan tila
Tila määritellään järjestelmän tilaksi, joka on parhaiten kuvattu sen ominaisuuksilla. Järjestelmän sisällä oleva massa voi olla moninaisissa ainutlaatuisissa olosuhteissa, joita kutsutaan tilaksi. Ominaisuuksien välillä on suhteita, mutta tila voidaan määrittää antamalla osajoukon ominaisuuksien arvoja.
Mekaniikan prosessi
Mekaniikan prosessit ovat yhden tilan toiseen tilaan muuntuminen. Jos järjestelmän makroskooppisen ominaisuuden arvot kahdella eri ajankohdalla ovat samat, järjestelmä on sama tilassa kyseisessä ajassa. Järjestelmän vakio-tila saavutetaan, jos kukaan sen ominaisuudesta ei muutu ajan suhteen.
Järjestelmän tasapainocykli
Mekaniikan järjestelmän tasapainocykli on järjestelmällinen prosessi, joka alkaa ja päättyy samalla tilalla. Kun cykli on valmis, kaikki sen ominaisuudet ovat samat kuin olivat alussa. Kaikki säännöllisesti toistuvat cyklit ovat tärkeitä monissa sovelluksissa, kuten kondensaatin kierto lämpövoiman tuotantolaitoksessa suorittaa cyklin.
Toimiva aine
Aineen teoria on hyödyllinen energian käsitteen ymmärtämisessä. Aine on tunnistettavissa sen massalla, tilavuudella ja avaruudella, ja riippumatta sen rakenteesta ja luonteesta sillä on tietyt ominaisuudet, kuten yhtenäisyys ja luotettavuus. Aine on tehty suuresta määrästä partikkeleita, joita kutsutaan molekyyleiksi. Solida, nesteen tai kaasun aineita löytyy ympäriinsä.
Solida aineessa molekyylit ovat lähellä toisiaan ja vahvasti sidottuja, eikä niitä voida liikkua vapaasti. Näin isot voimat vaaditaan muodostamaan sen muotoa.
Nesteessä molekyylit eivät ole vahvasti sidottuja, joten pieni voima on riittävä pitämään molekyylit yhteen.
Kaasumuodossa molekyylit liikkuvat satunnaisesti ja vapaasti, kuin ne olisivat sidottujen tilassa, silloin ne liikkuvat erittäin nopeasti riippumatta viereisistä molekyyleistä. Puhdas on yhdistetty kaasuun, jossa on paljon tyhjiä tiloja yhdistettyjen molekyyleiden välillä. Energia on syy, miksi aine esiintyy eri vaiheissa.
Puhtaa aine
Yksitoikkoisen kemiallisen rakenteen tai homogeenisen kemiallisen rakenteen aine on tunnettu puhtaina aineina. Aine voi olla yhdessä vaiheessa, kuten neste, tai se voi olla useissa vaiheissa tasapainossa toistensa kanssa. Samankaltaisen kemiallisen koostumuksen tasapainoinen kaasuseos on myös tunnettu puhtaina aineina.
Puhtaan aineen tärkeys on eri paine- ja lämpötilaosissa toimivan aineen ominaisuuksien määrittämisessä.
