Inženierzinās termodinamikas pamati un principi

Inženierzinātņu termodinamikas pamati spēlē svarīgu lomu, virzoties uz labāku pasauli, uzlabojot rīkojumu, aprīkojuma un to kopējā dizaina veiktspēju.

Aprīkojuma veiktspējas novērtēšanā kritiski svarīgi faktori ir tādi kā galaprodukta iznākums, ievades sāknemāko materiālu patēriņa apmērs, ražošanas izmaksas un vides efekta novērtējums. Mūsdienu inženieri izmanto termodinamikas konceptu, lai pārbaudītu un atdzimtinātu lietas, kas paredzētas cilvēka drošībai un komfortam.

Termodinamikas zinātne eksistē jau no 19. gadsimta. Tādējādi zinātnieki un inženieri pastāvīgi un nepārtraukti cenšas to padarīt tik pieejamu, cik iespējams.

Termodinamikas pamati

Vārds "termodinamika" nāk no grieķu vārda "theme" (nozīmē siltumu) un "dynamics" (nozīmē spēku). Inženierzinātņu profesionāļi interesējas par sistēmu pētīšanu un to interakciju ar apkārtējo vidi.

Šajā sadaļā izmantotie koncepti/definīcijas palīdz lasītājiem saprast inženierzinātņu termodinamikas konceptu (dažreiz sauktās par Siltuma-Enerģijas Inženierzinātņu)

Sistēma, apkārtne un Visums

Sistēma ir tas, ko mēs vēlamies pētīt un kam esam ieinteresēti, tāpēc pirmā solis ir precīzi noteikt sistēmas pētījuma mērķi. Sistēmas pētījuma mērķis var būt sistēmas efektivitātes uzlabošana vai zaudējumu samazināšana utt. Sistēmas piemērs var būt šāds: analizēt saldenā krājuma plantā esošo dzelzs ūdens ciklu vai analizēt Rankine ciklu elektrostacijā.

Sistēma tiek definēta kā noteikts masas daudzums no tīra materiāla, kas robežotas ar slēgto vai elastīgu virsmu; tāpat sistēmas iekšējā sastāvdaļu sastāvs var būt fiksēts vai mainīgs, atkarībā no cikla.

Sistēmas dimensijas nav obligāti nemainīgas (piemēram, kompresorsā ir gaisa komprese ar stieni), tās var būt mainīgas (piemēram, uzsprādzēts baloons). Materiāls, kas ārēji intereferē ar sistēmu, sauc par Apkārtni, un Visums ir sistēmas un apkārtnes rezultāts.

Elements, kas atdal sistēmu no tās apkārtnes, sauc par robežu. Sistēmas robeža var būt fiksēta vai kustībā.

Interakcija starp sistēmu un apkārtni notiek, pārsniedzot robežu, un tā spēlē ļoti svarīgu lomu termodinamikā (t.i. siltuma un enerģijas inženierzinātnē).

Termodinamikas sistēmas veidi

Termodinamikā ir divi pamata sistēmu veidi:

1. Slēgta sistēma vai Kontrolijamā masa: ir saistīta ar noteiktu materiāla daudzumu. Atšķirībā no atvērtās sistēmas, slēgtā sistēmā neietekmē materiāla plūsmu caur sistēmas robežu. Ir arī īpašs slēgtās sistēmas veids, kas nesaista un izolē sevi no apkārtnes, saukts par izolēto sistēmu.

2. Kontrolijamā tilpums (Atvērta sistēma): Kontrolijamais tilpums ir ierobežots telpas reģionā, caur kuru enerģija un masa var plūst un pārsniedzēt sistēmas robežu. Atvērtās sistēmas robeža sauc par kontrolēto virsmu; šī kontrolētā virsma var būt reāla vai neeksistējoša.
   Kontrolējamā tilpuma piemēri ir tāds aprīkojums, kas iesaista masas plūsmu, lai pārsniedzētu sistēmas robežu, piemēram, ūdens plūsma caur pompām, garīga plūsma turbinēs un gaisa plūsma caur gaisa kompresoriem.

Mikroskopiskā termodinamika

Mikroskopiskais pieeja termodinamikā arī saukta par statistisko termodinamiku un tā ir saistīta ar materiāla struktūru, un statistiskās termodinamikas mērķis ir raksturot vidējo uzbūves detaļu uzvedību, kas veido sistēmu, un izmantot šo informāciju, lai novērotu sistēmas makroskopisko uzvedību.

Termodinamikas īpašības, stāvokļi un procesi

Termodinamikas īpašība

Termodinamikas īpašība ir sistēmas makroskopiska īpašība. Īpašības vērtību var piešķirt jebkurā laikā bez iepriekšējās vērtības un tās uzvedības zināšanām.

Aptveroša īpašība

Īpašības, kas atkarīgas no masas, sauc par aptverošām īpašībām, un tās vispārējā sistēmas vērtība ir to vērtību summa, uz kurām sistēma ir sadalīta. Aptverošas īpašības piemēri ir Tilpums, Enerģija un Masa. Aptveroša īpašība atkarīga no sistēmas izmēra un tā var mainīties laikā.

Intensīva īpašība

Griežoties pret aptverošo īpašību, intensīva īpašība nav masa atkarīga un nav additīva rakstura un neatkarīga no sistēmas kopējā izmēra. Tā var mainīties dažādos vietās sistēmā jebkurā laikā. Intensīvas īpašības piemēri ir spiediens un temperatūra.

Termodinamiskais stāvoklis

Stāvoklis ir definēts kā sistēmas stāvoklis, kas labāk raksturojams tās īpašībām. Sistēmā iekļautā masa var atrasties dažādos unikālos stāvokļos, saukti par stāvokli. Starp sistēmas īpašībām pastāv attiecības, bet stāvoklis var tikt norādīts, sniedzot vērtību apakškopai no īpašībām.

Termodinamisks process

Termodinamiski procesi ir viena stāvokļa pārveidošana uz citu stāvokli. Ja sistēmas makroskopiskā īpašības divos atšķirīgos laikos ir identiskas, tad sistēmai tiek teikts, ka tā atrodas vienā un tomēr stāvoklī. Sistēmas stacionārā stāvoklis tiek sasniegts, ja neviena no tās īpašībām nemainās attiecībā uz laiku.

Sistēmas līdzsvara cikls

Termodinamiskas sistēmas līdzsvara cikls ir secīgais process, kas sākas un beidzas ar viena un tā paša stāvokļa nosacījumiem. Kad cikls ir pilnīgs, tā visas īpašības ir tādas pašas, kādas tās bija sākumā. Visi regulāri atkārtojošies cikli spēlē svarīgu lomu daudzos lietojumos, piemēram, kondensāta apgrozīšana termoenerģijas ražošanas stacijā izpilda ciklu.

Darbības viela

Vielas teorija palīdz saprast enerģijas konceptu. Viela pazīstama savā masā, tilpumā un telpā, un neatkarīgi no tās struktūras un dabas tai ir noteiktas īpašības, piemēram, konsekvence un uzticamība. Viela ir veidota no liela skaita daļiņām, saukta molekulām. Var atrast vielas, kas ir tvertnes, šķidruma vai gāzes formas.

Tvertnes vielā molekulas ir tuvu viena otrai un stipri saistītas, un tās nevar brīvi kustēties. Tādējādi nepieciešams liels spēks, lai to formu mainītu.

Šķidruma vielā molekulas nav stipri saistītas, un tāpēc ļoti mazs spēks ir pietiekams, lai vienas molekulas turētu blakus otrām.

Gāzes stāvoklī molekulas kustas nejauši un brīvi, it kā tās būtu nelīdzstrādājošā stāvoklī, tās kustas ļoti ātri, neatkarīgi no tām blakus esošajām molekulām. Kompressibilitāte ir saistīta ar gāzēm, tās ir ar daudz tukšas telpas starp savstarpēji saistītajām molekulām. Enerģija ir iemesls, kāpēc viela pastāv dažādās fāzēs.

Tīra viela