Inżynierska termodynamika: Podstawy i zasady

Podstawy inżynierskiej termodynamiki odgrywają ważną rolę w budowaniu lepszego świata poprzez poprawę wydajności zakładów, sprzętu i ich ogólnej konstrukcji.

Czynniki krytyczne w ocenie wydajności sprzętu to takie elementy jak wydajność końcowego produktu, zużycie surowców wejściowych, koszty produkcji oraz ocena wpływu na środowisko. Inżynierowie dzisiaj wykorzystują pojęcie termodynamiki, aby badać i ponownie tworzyć rzeczy przeznaczone dla bezpieczeństwa i komfortu ludzi.

Nauka o termodynamice istnieje od XIX wieku. Od tego czasu naukowcy i inżynierzy stale i nieustannie starają się uczynić ją jak najbardziej przyjazną użytkownikowi.

Podstawy termodynamiki

Słowo termodynamika pochodzi od greckich słów thema (co oznacza ciepło) i dynamis (co oznacza siłę). Profesjonaliści inżynierscy są zainteresowani badaniem systemów i ich interakcją ze środowiskiem.

Pojęcia/definicje używane w tej sekcji są pomocne dla czytelników w zrozumieniu koncepcji inżynierskiej termodynamiki (czasami nazywanej inżynierią ciepła i mocy).

System, otoczenie i wszechświat

System to coś, czym chcemy się zająć i co nas interesuje, więc pierwszym krokiem jest precyzyjne określenie celu badania systemu. Cel badania systemu może polegać na poprawie efektywności systemu lub zmniejszeniu strat itp. Przykładem systemu może być analiza cyklu chłodzenia w chłodni lub analiza cyklu Rankine'a w elektrowni.

System definiuje się jako określona masa czystej substancji ograniczona zamkniętą lub elastyczną powierzchnią; podobnie skład materii wewnątrz systemu może być stały lub zmienny w zależności od cyklu.

Wymiary systemu nie muszą być stałe (jak powietrze w sprężarce jest sprężane przez tłok) mogą być zmiennymi (jak napompowany balon). Materia, która oddziaływuje na system zewnętrznie, nazywana jest otoczeniem, a wszechświat to wynik systemu i otoczenia.

Element, który oddziela system od jego otoczenia, nazywany jest granicą. Granica systemu może być stała lub w ruchu.

Interakcja między systemem a otoczeniem odbywa się poprzez przekroczenie granicy i odgrywa bardzo ważną rolę w termodynamice (czyli inżynierii ciepła i mocy).

Typy systemów w termodynamice

Istnieją dwa podstawowe typy systemów w termodynamice:

1. Zamknięty system lub kontrolowana masa: jest związany z określoną ilością materii. W przeciwieństwie do otwartego systemu, w zamkniętym systemie nie ma przepływu masy przez granicę systemu. Istnieje również specjalny rodzaj zamkniętego systemu, który nie oddziałuje i izoluje się od otoczenia, nazywany systemem izolowanym.

2. Kontrolowany objętość (otwarty system): Kontrolowana objętość ogranicza się do obszaru przestrzeni, przez który energia i masa mogą przepływać i przekraczać granicę systemu. Granica otwartego systemu nazywana jest kontrolowaną powierzchnią; ta kontrolowana powierzchnia może być rzeczywista lub urojona.
   Przykładami kontrolowanej objętości są urządzenia, które obejmują przepływ masy przez granicę systemu, takie jak przepływ wody przez pompy, przepływ pary w turbinach i przepływ powietrza przez sprężarki.

Mikroskopowa termodynamika

Mikroskopowe podejście w termodynamice nazywane jest także statystyczną termodynamiką i jest związane z strukturą materii, a celem statystycznej termodynamiki jest charakteryzacja średniego zachowania cząsteczek tworzących system zainteresowania, a następnie wykorzystanie tych informacji do obserwacji makroskopowego zachowania systemu.

Właściwości, stany i procesy termodynamiczne

Właściwość termodynamiczna

Właściwość termodynamiczna to makroskopowy charakterystyk systemu. Wartość właściwości można przypisać w dowolnym danym momencie bez znajomości poprzedniej wartości i jej zachowania.

Eksensywne właściwości

Właściwości zależne od masy nazywane są właściwościami ekstensywnymi, a ich wartość dla całego systemu jest sumą ich wartości dla części, na które system jest podzielony. Przykładami właściwości ekstensywnych są objętość, energia i masa. Właściwość ekstensywna zależy od rozmiaru systemu i może się zmieniać w czasie.

Intensywne właściwości

W przeciwieństwie do właściwości ekstensywnych, właściwość intensywna nie zależy od masy i jest nieliniowa, a także nie zależy od całkowitego rozmiaru systemu. Może ona się różnić w różnych miejscach wewnątrz systemu w dowolnym momencie. Przykładami właściwości intensywnych są ciśnienie i temperatura.

Stan termodynamiczny

Stan definiuje się jako warunek systemu, najlepiej opisany przez jego właściwości. Masa zawarta w systemie może występować w różnych unikalnych warunkach, nazywanych stanami. Istnieją relacje między właściwościami systemu, ale stan można określić, podając wartość podzbioru właściwości.

Proces termodynamiczny

Procesy termodynamiczne to przekształcenie jednego stanu w inny. Jeśli wartość makroskopowej właściwości w systemie w dwóch różnych momentach jest identyczna, to system jest w tym samym stanie w tym czasie. Stan ustalony systemu osiągany jest, jeśli żadna z jego właściwości nie zmienia się w stosunku do czasu.

Cykl równowagi systemu

Cykl równowagi systemu termodynamicznego to sekwencyjny proces, który zaczyna i kończy się w tym samym stanie. Gdy cykl zostanie zakończony, wszystkie jego właściwości mają tę samą wartość, co na początku. Wszystkie cykle, które regularnie się powtarzają, odgrywają kluczową rolę w wielu obszarach zastosowań, takich jak cyrkulacja kondensatu w elektrowni cieplnej, która wykonuje cykl.

Substancja robocza

Teoria materii jest pomocna w zrozumieniu koncepcji energii. Materię charakteryzuje masa, objętość i przestrzeń, a niezależnie od jej struktury i natury ma pewne cechy, takie jak spójność i niezawodność. Materię tworzy duża liczba cząsteczek. Można znaleźć materię w stanie stałym, ciekłym lub gazowym wszędzie.

W materii stałej cząsteczki są blisko siebie i mocno związane, a nie mogą swobodnie się poruszać. Dlatego wymagana jest duża siła, aby zmienić jej kształt.

Cząsteczki w materii ciekłej nie są mocno związane, a więc bardzo mała siła wystarcza, aby utrzymać cząsteczki razem.

W stanie gazowym cząsteczki poruszają się losowo i swobodnie, jakby były w stanie nieograniczonym, a poruszają się bardzo szybko, niezależnie od sąsiednich cząsteczek. Sprężalność jest związana z gazami, które mają wiele pustych przestrzeni między łączonymi cząsteczkami. Energią jest powód, dla którego materia istnieje w różnych fazach.

Czysta substancja

Materia o pojedynczej strukturze chemicznej lub jednorodności w zmiennej strukturze chemicznej nazywana jest czystą substancją. Materia może występować w jednej fazie, takiej jak ciecz, lub może występować w więcej niż jednej fazie w równowadze wzajemnej. Jednorodna mieszanka gazów o podobnej strukturze chemicznej jest również nazywana czystą substancją.

Znaczenie czystej substancji polega na określeniu właściwości substancji roboczej w różnych warunkach ciśnienia i temperatury.

Przykład: Czystą substancję, taką jak woda, można opisać peł