Ingeniørfaglig termodynamikk: Grunnleggende prinsipper og prinsipper

Grundprinsippene for ingeniørtermodynamikk spiller en viktig rolle i å komme frem til et bedre verden, gjennom forbedring av anleggets ytelse, utstyr og deres overordnede design.

Faktorer som er kritiske for å vurdere utstyrets ytelse, er elementer som sluttforsyningens utbytte, forbruk av råmaterialer, produksjonskostnad, og vurdering av effekten på miljøet. Ingeniører i dag bruker begrepet termodynamikk for å undersøke og oppfinne ting som er ment for menneskelig sikkerhet og komfort.

Vitenskapen om termodynamikk har eksistert siden det 19de århundre. Siden da har forskere og ingeniører gjort en konstant og uavbrutt innsats for å gjøre den så brukervennlig som mulig.

Grunnleggende prinsipper i termodynamikk

Ordet termodynamikk stammer fra det greske ordet thema (som betyr varme) og dynamis (som betyr kraft). Ingeniørprofesjonell er interessert i å studere systemer og deres interaksjon med omgivelsene.

Konsepter/definisjoner brukt i denne seksjonen er nyttige for leserne for å forstå konseptet av ingeniørtermodynamikk (noen ganger referert til som Varme-Kraft-Ingeniørvitenskap)

System, Omgivelser og Univers

Et system er noe vi ønsker å studere og er interessert i, så den første trinnet er å fastsette nøyaktig målet for systemstudiet. Målet for systemstudiet kan være å forbedre systemets effektivitet eller redusere tap osv. Eksempel på et system kan være å analysere kjølingscyklen i et kjøleanlegg eller å analysere Rankine-syklusen i et kraftverk.

Et system defineres som en bestemt masse ren substans begrenset av en lukket eller fleksibel overflate; på samme måte kan sammensetningen av materiale inne i systemet være fast eller variabel avhengig av syklusen.

Systemets dimensjoner er ikke nødvendigvis konstante (som luft i en kompressor som presses sammen av en kolbe) det kan være variabelt (som en oppblåst ballong). Materiale som interagerer med systemet eksternt kalles omgivelser, og universet er resultatet av system og omgivelser.

Elementet som skiller systemet fra omgivelser kalles grense. Grensen til systemet kan være fast eller i bevegelse.

Interaksjonen mellom systemet og omgivelser skjer ved å krysse grensen, og spiller derfor en viktig rolle i termodynamikk (dvs. varmekraftingeniørfag).

Typer av system i termodynamikk

Det finnes to grunnleggende typer systemer i termodynamikk:

1. Lukket system eller kontrollmasse: associeres med en bestemt mengde materie. I motsetning til et åpent system, i et lukket system, forekommer det ingen massetransport av materie over grensen til systemet. Det finnes også en spesiell type lukket system som ikke interagerer og isolerer seg selv fra omgivelser, som kalles et isolert system.

2. Kontrollvolum (Åpent system): Kontrollvolum er begrenset til et område i rommet gjennom hvilket masse og energi kan flyte og krysse grensen til systemet. Grensen til et åpent system kalles en kontrollert overflate; denne kontrollerte overflaten kan være faktisk eller ureal.
   Eksempler på kontrollvolum er typer utstyr som involverer masseflyt over grensen til systemet, som f.eks. vannstrøm gjennom pumper, dampstrøm i turbiner og luftstrøm gjennom luftkompressorer.

Mikroskopisk termodynamikk

Den mikroskopiske tilnærmingen i termodynamikk kalles også statistisk termodynamikk og er knyttet til strukturen av materie, og målet med statistisk termodynamikk er å karakterisere det gjennomsnittlige atferdsmønsteret til partiklene som utgjør det interessante systemet, og deretter bruke denne informasjonen til å observere det makroskopiske atferdsmønsteret til systemet.

Termodynamiske egenskaper, tilstander og prosesser

Termodynamisk egenskap

En termodynamisk egenskap er en makroskopisk karakteristikk av et system. Verdien av en egenskap kan tildeles på et gitt tidspunkt uten kunnskap om tidligere verdi og dens atferd.

Utbredt egenskap

Egenskaper som er avhengige av masse kalles utbredte egenskaper, og dens verdi for det totale systemet er summen av dens verdier for delene som systemet er delt inn i. Eksempler på utbredte egenskaper er Volum, Energi, og Masse. Utbredte egenskaper avhenger av størrelsen på et system, og de kan endre seg med tiden.

Intensiv egenskap

I motsetning til den utbredte egenskapen, er en intensiv egenskap ikke avhengig av masse og ikke additiv i sin natur, og avhenger ikke av det totale størrelsesmessige systemet. Den kan variere på ulike steder innenfor systemet på et gitt tidspunkt. Eksempler på intensiv egenskap er trykk og temperatur.

Termodynamisk tilstand

En tilstand defineres som systemets tilstand som best beskrives av dets egenskaper. Massen som er innelukket i et system, kan finnes i en rekke unike tilstander, kalt tilstand. Det finnes relasjoner mellom egenskapene til et system, men tilstanden kan spesifiseres ved å gi verdien av en delmengde av egenskapene.

Termodynamisk prosess

Termodynamiske prosesser er konvertering av en tilstand til en annen tilstand. Hvis verdien av den makroskopiske egenskapen i et system på to ulike tidspunkter er identiske, så sies systemet å være i samme tilstand på dette tidspunktet. Stabil tilstand for systemet blir oppnådd hvis ingen av egenskapene endres med hensyn på tid.

Systemlikningscykel

En termodynamisk system-likningscykel er en sekvensprosess som starter og avsluttes med samme tilstandsforhold. Når cyklen er fullført, har alle egenskapene samme verdi som de hadde i begynnelsen. Alle cykler som repeterer regelbundet, spiller en viktig rolle i mange anvendelsesområder, som for eksempel sirkulasjonen av kondensat i et varmekraftverk utfører en sirkelgang.

Arbeidsgass

Teorien om materie er nyttig for å forstå konseptet energi. Materie er kjent for sin masse, volum og rom, og uavhengig av sin struktur og natur har den visse egenskaper som konsistens og pålitelighet. Materie er laget av et stort antall partikler kalt molekyler. Man kan finne materie i fast, flytende eller gassform overalt.

I fast materie er molekylene nær hverandre og sterkt bundet og kan ikke bevege seg fritt. Dermed kreves det stor kraft for å endre formen dens.

Molekylene i flytende materie er ikke fast holdt, og derfor er en svært liten kraft nok til å holde molekylene sammen.

I gassfase beveger molekylene tilfeldig og fritt som om de er i en ubunden tilstand, da de beveger seg veldig raskt uavhengig av nabomolekylene. Kompressibilitet er assosiert med gasser, som har mye tomrom mellom de forbundne molekylene. Energi er grunnen til at materie eksisterer i forskjellige faser.

Ren substans

Materiale med solo kjemisk struktur eller homogenitet i variant kjemisk struktur kalles rene substanser. Materiale kan eksistere i en fase som væske eller kan også eksistere i mer enn én fase i likevekt med hverandre. En uniform blanding av gasser med lik kjemisk sammensetning omtales også som en ren substans.

Betydningen av rene substanser ligger i bestemmelsen av egenskapene til arbeidsgassen under ulike forhold av trykk og temperatur.

Eksempel: For en ren substans som vann kan den beskrives fullstendig ved to selvstendige intensive egenskaper kjent som trykk og temperatur. En annen ren substans er luft i gassfase. Men for ikke-homogene substanser, er mer enn to egenskaper nødvendige for å beskrive tilstanden.

Termodynamisk likevekt