Mérnöki Térmomechanika: Alapelvek és Elvek
A mérnöki termodinamika alapjai jelentős szerepet játszanak egy jobb világ felé való haladásban, a berendezések, illetve azok teljes tervezésének teljesítményének javítása révén.
A berendezések teljesítményének értékelése során kritikus szempontok a végső termék kimenete, a bemeneti nyersanyag fogyasztása, a gyártási költség és a környezetre gyakorolt hatás értékelése. A mai mérnökök a termodinamika fogalmát használják annak vizsgálata és újrateremtésére, amit emberi biztonság és kényelmi célokra terveztek.
A termodinamika tudomány már a 19. századtól létezik. Azóta a tudósok és mérnökök folyamatos erőfeszítéseket tettek annak céljából, hogy minél hasznosabbá tegyék.
A termodinamika alapjai
A termodinamika szó görög szóból ered: theme (hő) és dynamics (erő). A mérnöki szakemberek érdeklődnek rendszerek tanulmányozásáért és interakcióikért a környezettel.
Ebben a részben használt fogalmak/definíciók segítenek a mérnöki termodinamika (néha hő-energia mérnökségnak is emlegetett) fogalmának megértésében.
Rendszer, környezet és univerzum
A rendszer az, amit tanulmányozni szeretnénk, így az első lépés a rendszer tanulmányozásának céljainak pontos meghatározása. A rendszer tanulmányozásának célja lehet a rendszer hatékonyságának javítása vagy a veszteségek csökkentése stb. A rendszer például a hűtőciklus elemzése egy hűtőtárhelyben vagy a Rankine-ciklus elemzése egy erőműben.
A rendszert definiáljuk mint egy zárt vagy rugalmas felülettel határolt meghatározott tömeg tiszta anyagként, hasonlóképpen a rendszerben lévő anyag összetétele fix vagy változó lehet a ciklus függvényében.
A rendszer méretei nem feltétlenül állandók (pl. a kompresszorban lévő levegő tömörítése pisztollyal), változhatnak (mint egy felhúzott lufi). A rendszerrel külsőleg interakcióba lépő anyagot környezetnek nevezzük, az univerzum pedig a rendszer és a környezet eredménye.
Az, ami a rendszert a környezetétől elválasztja, a határ. A rendszer határa fix vagy mozgó lehet.
A rendszer és a környezet közötti interakció a határ átlépésével történik, és nagyon fontos szerepet játszik a termodinamikában (azaz a hő-energia mérnökségben).
A termodinamika rendszer típusai
A termodinamikában két alapvető rendszer típusa van:
Zárt rendszer vagy irányított tömeg: egy meghatározott mennyiségű anyaggal kapcsolatos. A zárt rendszerben nincs anyagáramlás a rendszer határán keresztül. Egy speciális zárt rendszer, amely nem interakál és elkülöníti magát a környezettől, izolált rendszernek nevezik.
Irányított térfogat (Nyílt rendszer): Az irányított térfogat korlátozódik egy térrezsire, amelyen keresztül energia és anyag áthaladhat és átléphet a rendszer határán. A nyílt rendszer határa irányított felület, amely valós vagy képzeletbeli lehet.
Példák az irányított térfogatra olyan berendezések, amelyekben az anyag áthalad a rendszer határán, mint például a víz áramlása pompákban, a gőz áramlása turbínákban és a levegő áramlása légkompreszorokban.
Mikroszkopikus termodinamika
A mikroszkopikus megközelítés a termodinamikában, amit statisztikai termodinamikának is hívunk, a test szerkezetével és a partikuláris rendszer átlagos viselkedésének jellemzésével, majd ezen információk segítségével a rendszer makroszkopikus viselkedésének megfigyelésével foglalkozik.
Termodinamikai tulajdonságok, állapotok és folyamatok
Termodinamikai tulajdonságok
A termodinamikai tulajdonság egy rendszer makroszkopikus jellemzője. A tulajdonság értéke bármikor meghatározható, anélkül, hogy ismernénk a korábbi értékét és viselkedését.
Kiterjedt tulajdonságok
A tömegetől függő tulajdonságokat kiterjedt tulajdonságoknak nevezzük, és értéke a rendszer egészére nézve a részek értékeinek összege. Példák a kiterjedt tulajdonságokra a térfogat, az energia és a tömeg. A kiterjedt tulajdonságok a rendszer méretétől függnek és időben változhatnak.
Intenzív tulajdonságok
Ellenben a kiterjedt tulajdonságokhoz, az intenzív tulajdonságok nem függnek a tömegettől, nem additívak és nem függnek a rendszer teljes méretétől. Bárhol a rendszerben eltérhet a helyi értéke. Példák az intenzív tulajdonságokra a nyomás és a hőmérséklet.
Termodinamikai állapot
Az állapotot a rendszer olyan feltételekkel írjuk le, amelyeket a tulajdonságai legjobban jellemzik. A rendszerben lévő tömeg sokféle egyedi állapotban található, amit állapotnak nevezünk. A tulajdonságok között vannak összefüggések, de az állapotot egy részhalmaz értékeinek megadásával határozhatjuk meg.
Termodinamikai folyamat
A termodinamikai folyamatok egy állapotból egy másik állapotba történő átalakulást jelentenek. Ha a rendszerben lévő makroszkopikus tulajdonság értéke két különböző időpillanatban azonos, akkor a rendszer ugyanabban az állapotban van. A rendszer állapotának stabilizálódása akkor következik be, ha egyik tulajdonsága sem változik időben.
Rendszer egyensúlyi ciklus
Egy termodinamikai rendszer egyensúlyi ciklusa egy sorozatos folyamat, amely ugyanazzal az állappal kezdődik és ér véget. Amikor a ciklus befejeződik, akkor minden tulajdonságának ugyanaz az értéke, mint az elején. A rendszeresen ismétlődő ciklusok számos területen játszanak fontos szerepet, mint például a kondenzátum cirkulációja egy hőműben, amely egy ciklust végig fut.
Működő anyag
A test elmélete segít a működő anyag fogalmának megértésében. A testet tömeggel, térfogattal és térrel jellemezhetjük, és struktúrája és természete ellenére bizonyos jellemzőkkel rendelkezik, mint például az állandóság és a megbízhatóság. A testet nagyszámú részecskéből, molekulákból alkotják. Szilárd, folyékony vagy gáz állapotban található anyagokat találhatunk bárhol.
A szilárd testben a molekulák közel vannak egymáshoz és erősen kötődnek, így nem tudnak szabadon mozogni. Így nagy erő szükséges ahhoz, hogy alakját megváltoztassuk.
A folyékony testben a molekulák nem erősen tartózkodnak, így kicsi erő elegendő, hogy a molekulákat együtt tartson.
A gáz állapotban a molekulák véletlenszerűen és szabadon mozognak, mintha korlátlan állapotban lennének, így gyorsan mozognak, függetlenül a szomszédos molekuláktól. A gázok szoríthatók, mivel a molekulák között sok üres tér van. Az energia a test különböző fázisokban létezésének oka.
Tiszta anyag
Az egyetlen kémiai szerkezetű vagy homogén kémiai összetételű anyagot tiszta anyagnak nevezzük. Az anyag egyetlen fázisban létezhet, mint például folyékony állapotban, vagy több fázisban egyensúlyban. Ugyanazon kémiai összetételű gázok egyenletes keveréke is tiszta anyagnak számít.
