Technische Thermodynamica: Fundamenten en Principes
De basisprincipes van de technische thermodynamica spelen een belangrijke rol bij het streven naar een betere wereld, door verbetering van de prestaties van de installatie, apparatuur en hun totale ontwerp.
Factoren die cruciaal zijn voor het beoordelen van de prestaties van de apparatuur zijn items zoals de output van het eindproduct, verbruik van grondstoffen, productiekosten en de beoordeling van het effect op het milieu. Ingenieurs gebruiken vandaag de dag het concept van thermodynamica om dingen te onderzoeken en te heruitvinden die bedoeld zijn voor menselijke veiligheid en comfort.
De wetenschap van de thermodynamica bestaat sinds de 19de eeuw. Sindsdien hebben wetenschappers en ingenieurs voortdurend geprobeerd het zo gebruikersvriendelijk mogelijk te maken.
Fundamenten van Thermodynamica
Het woord thermodynamica is afgeleid van het Griekse woord theme (betekent warmte) en dynamica (betekent kracht). Technisch professionals zijn geïnteresseerd in het bestuderen van systemen en hun interactie met hun omgeving.
Concepten/Definities die in deze sectie worden gebruikt, zijn nuttig voor lezers om het concept van technische thermodynamica (soms verwijst men hiernaar als Warmte-Krachttechniek) te begrijpen.
Systeem, Omgeving en Universum
Een systeem is iets wat we willen bestuderen en waar we interesse in hebben, dus de eerste stap is om het doel van het systeemstudie nauwkeurig vast te stellen. Het doel van de systeemstudie kan de efficiëntie van het systeem verbeteren of de verliezen verminderen, enz. Een voorbeeld van een systeem kan zijn de analyse van de koelingssiklus in een koudopslaginstallatie of de analyse van de Rankine-siklus in een energiecentrale.
Een systeem wordt gedefinieerd als een bepaald massa zuivere stof begrensd door een gesloten of flexibele oppervlak; evenzo kan de samenstelling van de materie binnen het systeem vast of variabel zijn, afhankelijk van de cyclus.
De dimensies van het systeem hoeven niet noodzakelijk constant te zijn (zoals lucht in een compressor die door een zuiger wordt samengedrukt), ze kunnen variabel zijn (zoals een opgeblazen ballon). De materie die extern met het systeem interacteert, wordt omgeving genoemd en het universum is het resultaat van systeem en omgeving.
Het element dat het systeem scheidt van zijn omgeving, wordt grens genoemd. De grens van het systeem kan vast of in beweging zijn.
De interactie tussen het systeem en de omgeving vindt plaats door de grens te passeren en speelt hierbij een zeer belangrijke rol in de thermodynamica (d.w.z. warmte- en krachttechniek).
Soorten Systemen in Thermodynamica
Er zijn twee basissoorten systemen in de thermodynamica:
Gesloten Systeem of Controle Massa: is gekoppeld aan een bepaalde hoeveelheid materie. In tegenstelling tot een open systeem, treedt er in een gesloten systeem geen massaoverdracht op over de grens van het systeem. Er is ook een speciaal type gesloten systeem dat niet interacteert en zichzelf isoleert van de omgeving, dit wordt een geïsoleerd systeem genoemd.
Controle Volume (Open Systeem): Controle volume is beperkt tot een gebied in de ruimte waar massaal en energie kunnen stromen en de grens van het systeem kunnen oversteken. De grens van een open systeem wordt een gecontroleerde oppervlak genoemd; dit gecontroleerde oppervlak kan werkelijk of onwerkelijk zijn.
Voorbeelden van controle volume zijn soorten apparatuur die de stroom van massa vereisen om de grens van het systeem te passeren, zoals de waterstroom door pompen, stoomstroom in turbines en luchtstroom door luchtcompressors.
Microritme Dynamica
De microscopische benadering in de thermodynamica wordt ook wel statistische thermodynamica genoemd en is gerelateerd aan de structuur van de materie en het doel van de statistische thermodynamica is om het gemiddelde gedrag van de deeltjes te karakteriseren die het systeem van belang vormen en dit vervolgens gebruiken om het macroscopische gedrag van het systeem te observeren.
Thermodynamische Eigenschappen, Staten en Processen
Thermodynamische Eigenschap
Een thermodynamische eigenschap is een macroscopisch kenmerk van een systeem. De waarde van een eigenschap kan op elk willekeurig moment worden toegewezen zonder kennis van de vorige waarde en gedrag.
Uitgebreide Eigenschap
Eigenschappen die afhankelijk zijn van massa worden uitgebreide eigenschappen genoemd en de waarde ervan voor het gehele systeem is de sommatie van de waarden voor de delen waarin het systeem is verdeeld. Voorbeelden van uitgebreide eigenschappen zijn Volume, Energie en Massa. Uitgebreide eigenschappen zijn afhankelijk van de grootte van een systeem en kunnen veranderen met de tijd.
Intensieve Eigenschap
In tegenstelling tot de uitgebreide eigenschap is een intensieve eigenschap niet afhankelijk van de massa en additief van aard, en hangt niet af van de totale grootte van het systeem. Het kan op verschillende plaatsen binnen het systeem op elk moment variëren. Voorbeelden van intensieve eigenschappen zijn druk en temperatuur.
Thermodynamische Staat
Een staat wordt gedefinieerd als de conditie van een systeem die het beste wordt omschreven door zijn eigenschappen. De massa die in een systeem is opgesloten, kan in verschillende unieke toestanden worden gevonden, die staat worden genoemd. Er zijn relaties tussen de eigenschappen van een systeem, maar de staat kan worden gespecificeerd door de waarde van een subset van de eigenschappen te verstrekken.
Thermodynamisch Proces
Thermodynamische processen zijn de conversie van één staat naar een andere staat. Als de waarde van de macroscopische eigenschap van een systeem op twee verschillende tijdstippen identiek is, dan wordt gezegd dat het systeem op dat tijdstip in dezelfde staat verkeert. De stabiele staat van het systeem wordt bereikt als geen van de eigenschappen ten opzichte van de tijd verandert.
Systeem Evenwicht Cyclus
Een thermodynamisch systeem evenwichtscyclus is een sequentieel proces dat begint en eindigt met de conditie van dezelfde staat. Wanneer de cyclus voltooid is, hebben alle eigenschappen dezelfde waarde als ze hadden aan het begin. Alle cycli die regelmatig herhalen, spelen een belangrijke rol in veel toepassingsgebieden, zoals de circulatie van condensaat in een thermische energiecentrale voert een cyclus uit.
Werkstof
De theorie van de materie is nuttig om het concept van energie te begrijpen. Materie staat bekend om haar massa, volume en ruimte en ongeacht haar structuur en aard heeft ze bepaalde kenmerken zoals consistentie en betrouwbaarheid. Materie is gemaakt van een groot aantal deeltjes genaamd moleculen. Men kan materie in vaste, vloeibare of gasvormige toestand overal vinden.
In vaste materie staan de moleculen dicht bij elkaar en zijn sterk verbonden en kunnen niet vrijelijk bewegen. Dus is er een grote kracht nodig om de vorm ervan te veranderen.
Moleculen in vloeibare materie zijn niet stevig verbonden en daarom is een zeer kleine kracht voldoende om de moleculen bij elkaar te houden.
In een gasvormige toestand bewegen de moleculen willekeurig en vrij alsof ze in een ongebonden toestand zijn, dan bewegen ze heel snel onafhankelijk van de aangrenzende moleculen. Compressibiliteit is geassocieerd met gassen, die veel lege ruimten hebben tussen de aansluitende moleculen. Energie is de reden dat materie in verschillende fasen bestaat.
Zuivere Stof
Materiaal met een solo chemische structuur of homogeniteit in variant chemische structuur wordt zuivere stoffen genoemd. Materiaal kan in één fase bestaan, zoals vloeistof, of kan ook in meer dan één fase in evenwicht met elkaar bestaan. Een uniform mengsel van gassen met dezelfde chemische samenstelling wordt ook als zuivere stof aangeduid.
Het belang van zuivere stoffen ligt in de bepaling van de eigenschappen van de werkstof onder verschillende omstandigheden van druk en temperatuur.
Voorbeeld: Voor een zuivere stof zoals water kan volledig worden beschreven door twee soevereine intensieve eigenschappen genaamd druk en temperatuur. Een andere zuivere stof is lucht in de gasvorm. Maar voor niet-homogene stoffen zijn meer dan twee eigenschappen nodig om de staat te beschrijven.
