Kejuruteraan Termodinamik: Asas & Prinsip
Asas-asas termodinamik kejuruteraan memainkan peranan penting dalam menuju dunia yang lebih baik, melalui peningkatan prestasi tumbuhan, peralatan, dan reka bentuk keseluruhan mereka.
Faktor-faktor yang kritikal dalam menilai prestasi peralatan adalah item seperti hasil produk akhir, penggunaan bahan mentah input, kos pengeluaran, dan penilaian kesan terhadap alam sekitar. Jurutera hari ini menggunakan konsep termodinamik untuk mengkaji dan mencipta semula perkara-perkara yang bertujuan untuk keselamatan dan keselesaan manusia.
Sains termodinamik telah wujud sejak abad ke-19. Sejak itu, saintis dan jurutera telah membuat usaha berterusan untuk menjadikannya lebih mudah digunakan.
Asas-asas Termodinamik
Perkataan termodinamik berasal dari perkataan Yunani theme (bermaksud haba) dan dynamics (bermaksud daya). Profesional kejuruteraan tertarik untuk mengkaji sistem dan interaksi mereka dengan persekitaran mereka.
Konsep/Definisi yang digunakan dalam bahagian ini berguna untuk pembaca dalam memahami konsep termodinamik kejuruteraan (kadang-kadang dirujuk sebagai Kejuruteraan Haba-Kuasa)
Sistem, Persekitaran, dan Alam Semesta
Sistem adalah sesuatu yang kita ingin kaji dan berminat, oleh itu langkah pertama adalah untuk menetapkan objektif kajian sistem dengan tepat. Objektif kajian sistem boleh meningkatkan kecekapan sistem atau mengurangkan kerugian dan sebagainya. Contoh Sistem boleh menganalisis siklus pendinginan di tumbuhan penyimpanan sejuk atau menganalisis siklus Rankine di tumbuhan kuasa.
Sistem didefinisikan sebagai jisim tertentu bahan tulen yang dibatasi oleh permukaan tertutup atau fleksibel; sama ada komposisi bahan di dalam sistem boleh tetap atau berubah bergantung kepada siklus.
Dimensi sistem tidak semestinya malar (seperti udara dalam pemampat dipampatkan oleh piston) ia boleh berubah (seperti belon yang ditiup). Bahan yang berinteraksi dengan sistem secara luaran disebut Persekitaran dan Alam Semesta adalah hasil dari sistem dan persekitaran.
Unsur yang memisahkan sistem daripada persekitarannya disebut sempadan. Sempadan sistem boleh tetap atau bergerak.
Interaksi antara sistem dan persekitaran berlaku dengan melintasi sempadan dan oleh itu memainkan peranan yang sangat penting dalam termodinamik (iaitu kejuruteraan haba dan kuasa).
Jenis-jenis Sistem dalam Termodinamik
Terdapat dua jenis asas sistem dalam termodinamik:
Sistem Tertutup atau Jisim Kawalan: bersangkutan dengan kuantiti tertentu bahan. Berbeza dengan sistem terbuka, dalam sistem tertutup, tidak ada aliran jisim bahan berlaku merentasi sempadan sistem. Terdapat juga jenis khas sistem tertutup yang tidak berinteraksi dan terasing dari persekitaran disebut sistem terasing.
Isi padu Kawalan (Sistem Terbuka): Isi padu kawalan dibatasi kepada satu ruang di mana jisim dan tenaga boleh mengalir dan melintasi sempadan sistem. Sempadan sistem terbuka disebut permukaan kawalan; permukaan kawalan ini boleh nyata atau tidak nyata.
Contoh isi padu kawalan adalah jenis peralatan yang melibatkan aliran jisim untuk melintasi sempadan sistem seperti aliran air melalui pam, aliran uap di turbin, dan aliran udara melalui kompresor udara.
Termodinamik Mikroskopik
Pendekatan mikroskopik dalam termodinamik juga dikenali sebagai termodinamik statistik dan berkaitan dengan struktur bahan dan objektif termodinamik statistik adalah untuk menggambarkan tingkah laku purata zarah yang membentuk sistem yang dikaji dan seterusnya menggunakan maklumat ini untuk mengamati tingkah laku makroskopik sistem.
Sifat, Keadaan, dan Proses Termodinamik
Sifat Termodinamik
Sifat termodinamik adalah ciri-ciri makroskopik suatu sistem. Nilai sifat boleh ditetapkan pada bila-bila masa tanpa pengetahuan nilai sebelumnya dan tingkah lakunya.
Sifat Meluas
Sifat-sifat yang bergantung pada jisim disebut sifat meluas dan nilainya untuk sistem keseluruhan adalah jumlah nilai-nilainya untuk bahagian-bahagian yang dibagi sistem tersebut. Contoh sifat meluas adalah Isi padu, Tenaga, dan Jisim. Sifat meluas bergantung pada saiz sistem dan ia boleh berubah dengan masa.
Sifat Intensif
Bertentangan dengan sifat meluas, sifat intensif tidak bergantung pada jisim dan bersifat bukan aditif dan tidak bergantung pada saiz total sistem. Ia boleh berbeza pada tempat-tempat yang berbeza dalam sistem pada bila-bila masa. Contoh sifat intensif adalah tekanan dan suhu.
Keadaan Termodinamik
Keadaan didefinisikan sebagai keadaan sistem yang paling baik digambarkan oleh sifat-sifatnya. Jisim yang terkandung dalam sistem boleh ditemui dalam pelbagai keadaan unik, disebut keadaan. Terdapat hubungan antara sifat-sifat sistem tetapi keadaan boleh ditentukan dengan memberikan nilai subset sifat-sifat tersebut.
Proses Termodinamik
Proses termodinamik adalah penukaran satu keadaan ke keadaan lain. Jika nilai sifat makroskopik dalam sistem pada dua masa yang berbeza adalah identik maka sistem dikatakan berada dalam keadaan yang sama pada masa tersebut. Keadaan stabil sistem dicapai jika tiada sifatnya berubah berkenaan dengan masa.
Siklus Kesetimbangan Sistem
Siklus kesetimbangan sistem termodinamik adalah proses berurutan yang bermula dan berakhir dengan keadaan yang sama. Apabila siklus selesai, semua sifatnya mempunyai nilai yang sama seperti apa yang mereka miliki pada awalnya. Semua siklus yang berulang secara berterusan memainkan peranan penting dalam banyak bidang aplikasi, seperti sirkulasi kondensat di stesen janakuasa termal melaksanakan siklus.
Bahan Kerja
Teori bahan membantu dalam memahami konsep tenaga. Bahan dikenali dengan jisim, isi padu, dan ruang dan tidak kira strukturnya dan sifatnya, ia mempunyai ciri-ciri seperti konsistensi dan kebolehpercayaan. Bahan dibuat daripada sejumlah besar zarah yang dipanggil molekul. Seseorang boleh menemui bahan pepejal, cecair, atau gas di mana-mana.
Dalam bahan pepejal, molekul berdekatan dan terikat erat dan tidak dapat bergerak bebas. Oleh itu, daya yang besar diperlukan untuk mengubah bentuknya.
Molekul dalam bahan cecair tidak dipegang erat dan oleh itu daya yang sangat kecil cukup untuk mengekalkan molekul-molekul tersebut bersama.
Dalam keadaan gas, molekul bergerak secara rawak dan bebas seolah-olah ia dalam keadaan tidak terikat, maka ia bergerak sangat cepat tanpa mengira molekul-molekul yang bersebelahan. Kompresibiliti berkaitan dengan gas, mempunyai banyak ruang kosong antara molekul-molekul yang berhubungan. Tenaga adalah sebab bahan wujud dalam fasa yang berbeza.
Bahan Tulen
Bahan dengan struktur kimia solo atau homogenitas dalam struktur kimia yang berbeza dikenali sebagai bahan tulen. Bahan boleh wujud dalam satu fasa seperti cecair atau juga boleh wujud dalam lebih daripada satu fasa dalam kesetimbangan dengan satu sama lain. Campuran seragam gas dengan komposisi kimia yang sama juga dikenali sebagai bahan tulen.
Kepentingan bahan tulen adalah dalam penentuan sifat bahan kerja pada keadaan tekanan dan suhu yang berbeza.
Contoh: Untuk bahan tulen seperti air boleh digambarkan sepenuhnya oleh dua sifat intensif kedaulatan yang dipanggil tekanan dan suhu. Bahan tulen lain adalah udara dalam keadaan gas. Tetapi untuk bahan tidak homogen, lebih daripada dua sifat diperlukan untuk menggambarkan keadaan.
Kesetimbangan Termodinamik
Dalam mekanik, kesetimbangan dikatakan telah dicapai apabila kita menyamakan daya-daya yang bertentangan. Tetapi maksud kesetimbangan termodinamik berbeza dan lebih luas kerana ia melibatkan tindak balas keseimbangan bagi banyak pengaruh lain (antara sistem dan persekitaran)
