Inženjerska termodinamika: Osnove i principi

Osnove inženjerske termodinamike igraju važnu ulogu u stvaranju boljeg svijeta, kroz poboljšanje performansi postrojenja, opreme i njihovog ukupnog dizajna.

Faktori koji su ključni za procjenu performansi opreme su stvari poput izlaza finalnog proizvoda, potrošnje ulaznih sirovina, troškova proizvodnje i procjene utjecaja na okoliš. Inženjeri danas koriste koncept termodinamike kako bi ispitivali i preoblikovali stvari namijenjene ljudskoj sigurnosti i udobnosti.

Znanost o termodinamici postoji od 19. stoljeća. Od tada znanstvenici i inženjeri stalno i kontinuirano trude se da je čine što prijateljskom prema korisnicima.

Osnove termodinamike

Riječ termodinamika izvedena je iz grčkih riječi theme (znači toplina) i dynamics (znači sila). Stručnjaci za inženjerstvo zainteresirani su za proučavanje sustava i njihove interakcije s okolinom.

Koncepti/definicije korišteni u ovom odjeljku su korisni čitateljima za razumijevanje koncepta inženjerske termodinamike (ponekad se naziva Toplotno-energetska inženjerstva)

Sustav, okolina i svemir

Sustav je ono što želimo proučiti, stoga prvi korak je točno definirati cilj proučavanja sustava. Cilj proučavanja sustava može biti poboljšanje učinkovitosti sustava ili smanjenje gubitaka itd. Primjer sustava može biti analiza ciklusa hlađenja u hladnjoj zgradi ili analiza Rankine ciklusa u elektranama.

Sustav je definiran kao određena masa čistog materijala ograničena zatvorenom ili fleksibilnom površinom; slično tome, sastav tvari unutar sustava može biti fiksiran ili varijabilan ovisno o ciklusu.

Dimenzije sustava nisu nužno konstantne (poput zraka u kompresoru koji se komprimiraju pomoću štapa) mogu biti varijabilne (poput napunjenog balona). Tvari koje se vanjski susreću s sustavom zovu se okolina, a svemir je rezultat sustava i okoline.

Element koji razdvaja sustav od njegove okoline zove se granica. Granica sustava može biti fiksirana ili u pokretu.

Interakcija između sustava i okoline odvija se preko prelaska granice i stoga igra vrlo važnu ulogu u termodinamici (to jest, toplotno-energetskom inženjerstvu).

Vrste sustava u termodinamici

Postoje dvije osnovne vrste sustava u termodinamici:

1. Zatvoreni sustav ili kontrolna masa: asociiran je s određenom količinom tvari. U suprotnosti s otvorenim sustavom, u zatvorenom sustavu ne dolazi do protoka mase preko granice sustava. Postoji i specifična vrsta zatvorenog sustava koji se ne interira i izolira se od okoline, a zove se izolirani sustav.

2. Kontrolni volumen (otvoreni sustav): Kontrolni volumen ograničen je na područje prostora kroz koje masa i energija mogu teći i preći granicu sustava. Granica otvorenog sustava zove se kontrolna površina; ova kontrolna površina može biti stvarna ili nepravilna.
   Primjeri kontrolnog volumena su tipovi opreme koji uključuju protok mase preko granice sustava, poput protoka vode kroz pumpu, protoka para u turbine i protoka zraka kroz kompresore zraka.

Mikroskopska termodinamika

Mikroskopski pristup u termodinamici također se zove statistička termodinamika i vezan je za strukturu tvari, a cilj statističke termodinamike je karakterizirati prosječno ponašanje čestica koje čine sustav interesant i time koristiti tu informaciju za promatranje makroskopskog ponašanja sustava.

Termodinamička svojstva, stanja i procesi

Termodinamičko svojstvo

Termodinamičko svojstvo je makroskopska karakteristika sustava. Vrijednost svojstva može se dodeliti u bilo kojem trenutku bez poznavanja prethodne vrijednosti i njegovog ponašanja.

Egzistencijalno svojstvo

Svojstva ovisna o masi zovu se egzistencijalna svojstva, a njihova vrijednost za cijeli sustav je zbroj njihovih vrijednosti za dijelove na koje se sustav dijeli. Primjeri egzistencijalnih svojstava su volumen, energija i masa. Egzistencijalna svojstva ovisna su o veličini sustava i mogu se mijenjati s vremenom.

Intenzivno svojstvo

U suprotnosti sa egzistencijalnim svojstvom, intenzivno svojstvo nije ovisno o masi i neaditivno je po prirodi i ne ovisi o ukupnoj veličini sustava. Može se mijenjati na različitim mjestima unutar sustava u bilo kojem trenutku. Primjeri intenzivnih svojstava su tlak i temperatura.

Termodinamičko stanje

Stanje definirano je kao stanje sustava koje najbolje opisano je njegovim svojstvima. Masa zatvorena u sustavu može se nalaziti u različitim jedinstvenim stanjima, zvana stanja. Postoje relacije među svojstvima sustava, ali stanje može se odrediti pružanjem vrijednosti podskupa svojstava.

Termodinamički proces

Termodinamički procesi su pretvorba jednog stanja u drugo stanje. Ako je vrijednost makroskopskog svojstva u sustavu u dva različita vremenska razdoblja identična, tada se kaže da se sustav nalazi u istom stanju u tom vremenu. Stabilno stanje sustava postiže se ako nijedno od njegovih svojstava ne mijenja s obzirom na vrijeme.

Ciklus ravnoteže sustava

Ciklus ravnoteže termodinamičkog sustava je sekvencijalni proces koji započinje i završava uvjetom istog stanja. Kada se ciklus završi, sva njegova svojstva imaju istu vrijednost koju su imala na početku. Svi ciklusi koji se redovito ponavljaju igraju ključnu ulogu u mnogim područjima primjene, poput cirkulacije kondenzata u termoelektrani koja obavlja ciklus.

Radna tvar

Teorija o tvari korisna je za razumijevanje koncepta energije. Tvar poznata je po svojoj masi, volumenu i prostoru, a bez obzira na svoju strukturu i prirodu ima određena svojstva poput konzistentnosti i pouzdanosti. Tvar sastavljena je od velikog broja čestica zvanih molekule. Molekule se mogu pronaći u čvrstoj, tekućoj ili plinovitoj formi.

U čvrstoj tvari, molekule su blizu jedna drugoj i jako su vezane, te ne mogu slobodno kretati. Stoga je potrebna velika sila da se promijeni njeno oblikovanje.

Molekule u tekućoj tvari nisu čvrsto vezane, pa je dovoljno malo sile da drži molekule zajedno.

U plinovitom stanju, molekule se nasumično i slobodno kreću kao da su u nevezanom stanju, te se veoma brzo kreću bez obzira na susedne molekule. Komprimiranost je povezana s plinovitim stanjem, koje ima puno praznog prostora između povezanih molekula. Energija je razlog zbog kojeg tvar postoji u različitim fazama.

Čista tvar

Tvar s solo kem