Инженерска термодинамика: Основи и принципи
Основите на инженерската термодинамика играат важна улога во претворањето кон подобар свет, преку подобрување на перформансите на планината, опремата и нивниот целосен дизајн.
Фактори што се критични за оценување на перформансите на опремата се ставки како производството на крајниот производ, консумацијата на влезна суровина, производствена цена и проценка на ефектот на околината. Инженерите днес користат концептот на термодинамика за да ги испитуваат и реинвентираат работите кои се наменети за лична безбедност и комфорт.
Науката за термодинамиката постои од 19ти век. Од тогаш научниците и инженерите непрекинато прават напор за да ја направат колку што можно пријатлива за корисникот.
Основи на термодинамиката
Зборот термодинамика потекнува од грчкиот збор тема (што значи топлина) и динамика (што значи сила). Строго професионалците се интересираат за изучување на системите и нивната интеракција со нивната околина.
Концептите/дефинициите користени во овој дел се полезни за читаоците за разбирање на концептот на инженерска термодинамика (понекогаш наречена Топлинско-Енергетичка Инженеринг)
Систем, околина и универзум
Системот е нешто што сакаме да го изучиме и интересуваме, така што првиот чекор е да се фиксира точно објективот на студијата на системот. Објективот на студијата на системот може да биде подобрување на ефикасноста на системот или да се намали загубите итн. Пример за систем може да биде анализата на циклусот на хладење во складиште или да се анализира Ранкиновиот циклус во електростанција.
Системот е дефиниран како одредена маса на чиста супстанција ограничена со затворена или гибка површина; исто така, составот на материјата во системот може да биде фиксиран или променлив зависно од циклусот.
Димензиите на системот не мораат да бидат константни (како воздухот во компресорот што е компресиран со пистон) тоа може да биде променливо (како надуван балон). Материјата која интерагира со системот екстерно е наречена околина, а универзумот е исход на системот и околина.
Елементот кој го одделува системот од неговата околина е наречен граница. Границата на системот може да биде фиксирана или во движење.
Интеракцијата помеѓу системот и околината се случува преку минување на границата и така игра многу важна улога во термодинамиката (т.е. топлинско-енергетичка инженеринг).
Типови на системи во термодинамиката
Постојат два основни типови на системи во термодинамиката:
Затворен систем или контролна маса: се поврзува со одредена количина на материја. За разлика од отворен систем, во затворен систем, нема масен поток на материја кој се случува преку границата на системот. Постои и специјален тип на затворен систем кој не интерагира и се изолира од околината и се нарекува изолиран систем.
Контролна запремина (Отворен систем): Контролната запремина е ограничена до регион на простор кроз кој масата и енергијата може да протечат и преципат границата на системот. Границата на отворен систем се нарекува контролна површина; оваа контролна површина може да биде фактичка или невистинска.
Примери за контролна запремина се типови на опрема кои вклучуваат проточување на маса да преципат границата на системот како што е проточувањето на вода низ помпи, пар во турбини и воздух низ компресори за воздух.
Микроскопска термодинамика
Микроскопскиот пристап во термодинамиката исто така се нарекува статистичка термодинамика и е поврзан со структурата на материјата, а целта на статистичката термодинамика е да карактеризира просечен поведбен модел на честички кои го прават системот на интерес и во продолжение, да се користат овие информации за да се набљудува макроскопската поведба на системот.
Термодинамички својства, состојби и процеси
Термодинамично својство
Термодинамичкото својство е макроскопска карактеристика на систем. Вредноста на својство може да се додели во било кој даден момент без знаење за претходна вредност и неговата поведба.
Екстензивно својство
Својства кои се зависни од масата се нарекуваат екстензивни својства, а нивната вредност за целосниот систем е збирот на нивните вредности за деловите на кои системот е поделен. Примери за екстензивни својства се Запремина, Енергија и Маса. Екстензивните својства зависат од големината на системот и можат да се менуваат со време.
Интензивно својство
Во спротивност со екстензивното својство, интензивното својство не е зависно од масата и не е адитивно по природа и не зависи од целосната големина на системот. Тоа може да варира на различни места во системот во било кој момент. Примери за интензивни својства се притисок и температура.
Термодинамичка состојба
Состојбата е дефинирана како услов на системот кој најдобро се опишува со неговите својства. Масата заклучена во системот може да се најде во разнообразни уникатни услови, наречени состојба. Постојат односи меѓу својствата на системот, но состојбата може да се специфицира со давање на вредноста на подмножество од својствата.
Термодинамички процес
Термодинамичките процеси се конверзија на една состојба во друга состојба. Ако вредноста на макроскопското својство на системот во две различни моменти се идентични, системот се вели дека е во иста состојба во тоа време. Стабилната состојба на системот се постигнува ако ниедно од неговите својства не се менува во однос на времето.
Циклус на равновесие на системот
Циклус на равновесие на термодинамички систем е последователен процес кој почнува и завршува со услов на иста состојба. Кога циклусот заврши, сите негови својства имаат иста вредност како што биле на почетокот. Сите циклуси кои се повторуваат редовно играат важна улога во многу области на примената, како што е циркулацијата на кондензат во термална електростаница која извршува циклус.
Работна супстанција
Теоријата за материјата е полезна за разбирање на концептот на енергија. Материјата е позната по својата маса, запремина и простор, и независно од неговата структура и природа, има одредени карактеристики како конзистенција и надежност. Материјата е направена од голем број на честички наречени молекули. Луѓето можат да ја најдат материјата во состојба на тврдо, течно или гас на секое место.
Во тврдата состојба, молекулите се блиски едни до други и силно поврзани и не можат да се движе слободно. Така, потребен е голем сила за да се промени неговата форма.
Молекулите во течната состојба не се силно држани и така многу мала сила е доволна да ги задржи молекулите заедно.
Во гасна состојба, молекулите се движеат случајно и слободно како да се наоѓаат во неконтролирана состојба, па тогаш се движеат многу брзо независно од нивните соседни молекули. Компресибилноста е поврзана со гасовите, кои имаат многу празни простори помеѓу поврзаните молекули. Енергијата е причината за тоа материята да постои во различни фази.
Чиста супстанција
