Инженерная термодинамика: Основы и принципы

Основы инженерной термодинамики играют важную роль в движении к лучшему миру, улучшая производительность оборудования и их общую конструкцию.

Критическими факторами при оценке производительности оборудования являются такие показатели, как выход конечного продукта, потребление исходного сырья, себестоимость и оценка влияния на окружающую среду. Инженеры сегодня используют концепцию термодинамики для изучения и переосмысления вещей, предназначенных для обеспечения безопасности и комфорта человека.

Наука термодинамика существует с 19го века. С тех пор ученые и инженеры постоянно и непрерывно работают над тем, чтобы сделать ее максимально удобной для использования.

Основы термодинамики

Слово "термодинамика" происходит от греческого слова "theme" (что означает "тепло") и "dynamics" (что означает "сила"). Инженеры-профессионалы интересуются изучением систем и их взаимодействием с окружающей средой.

Концепции и определения, используемые в этом разделе, помогут читателям понять концепцию инженерной термодинамики (иногда называемой тепловой энергетикой).

Система, окружающая среда и Вселенная

Система - это то, что мы хотим изучить, поэтому первым шагом является точное определение цели исследования системы. Целью исследования может быть повышение эффективности системы или снижение потерь и т.д. Примером системы может быть анализ цикла холодильного оборудования в холодильном складе или анализ цикла Ренкина на электростанции.

Система определяется как определенная масса чистого вещества, ограниченная закрытой или гибкой поверхностью; аналогично, состав вещества внутри системы может быть фиксированным или переменным в зависимости от цикла.

Размеры системы не обязательно постоянны (например, воздух в компрессоре сжимается поршнем), они могут быть переменными (например, надувной шар). Материал, который взаимодействует с системой внешним образом, называется окружающей средой, а Вселенная - это результат взаимодействия системы и окружающей среды.

Элемент, который отделяет систему от ее окружения, называется границей. Граница системы может быть фиксированной или подвижной.

Взаимодействие между системой и окружающей средой происходит через пересечение границы, и поэтому играет очень важную роль в термодинамике (т.е. в тепловой энергетике).

Типы систем в термодинамике

Существует два основных типа систем в термодинамике:

1. Закрытая система или контролируемая масса: связана с определенным количеством вещества. В отличие от открытой системы, в закрытой системе нет потока вещества через границу системы. Также существует особый тип закрытой системы, которая не взаимодействует и изолирует себя от окружающей среды, называемой изолированной системой.

2. Контролируемый объем (открытая система): контролируемый объем ограничен областью пространства, через которую масса и энергия могут проходить и пересекать границу системы. Граница открытой системы называется контролируемой поверхностью; эта контролируемая поверхность может быть реальной или нереальной.
   Примеры контролируемого объема - оборудование, в котором происходит поток массы через границу системы, такие как поток воды через насосы, поток пара через турбины и поток воздуха через воздушные компрессоры.

Микроскопическая термодинамика

Микроскопический подход в термодинамике также называется статистической термодинамикой и связан со структурой материи. Цель статистической термодинамики - характеризовать среднее поведение частиц, образующих исследуемую систему, и, в свою очередь, использовать эту информацию для наблюдения за макроскопическим поведением системы.

Термодинамические свойства, состояния и процессы

Термодинамическое свойство

Термодинамическое свойство - это макроскопическая характеристика системы. Значение свойства может быть присвоено в любой момент времени без знания предыдущего значения и его поведения.

Обширное свойство

Свойства, зависящие от массы, называются обширными свойствами, и их значение для всей системы является суммой их значений для частей, на которые разделена система. Примерами обширных свойств являются объем, энергия и масса. Обширное свойство зависит от размера системы и может изменяться со временем.

Интенсивное свойство

В отличие от обширного свойства, интенсивное свойство не зависит от массы и не является аддитивным по своей природе и не зависит от общего размера системы. Оно может различаться в разных местах системы в любой момент. Примерами интенсивных свойств являются давление и температура.

Термодинамическое состояние

Состояние определяется как условие системы, которое лучше всего описывается ее свойствами. Масса, заключенная в системе, может находиться в различных уникальных условиях, называемых состоянием. Между свойствами системы существуют отношения, но состояние можно определить, предоставив значение подмножества свойств.

Термодинамический процесс

Термодинамические процессы - это переход от одного состояния к другому. Если значение макроскопического свойства системы в два разных момента времени одинаково, то система считается находящейся в одном и том же состоянии. Устойчивое состояние системы достигается, если ни одно из ее свойств не меняется со временем.

Цикл равновесия системы

Цикл равновесия термодинамической системы - это последовательный процесс, который начинается и заканчивается в одном и том же состоянии. Когда цикл завершается, все его свойства имеют те же значения, что и в начале. Все циклы, повторяющиеся регулярно, играют важную роль во многих областях применения, например, циркуляция конденсата на тепловой электростанции выполняет цикл.

Рабочее вещество

Теория материи полезна для понимания концепции энергии. Материя известна своей массой, объемом и занимаемым пространством, и независимо от своей структуры и природы имеет определенные характеристики, такие как согласованность и надежность. Материя состоит из большого числа частиц, называемых молекулами. Можно найти материю в виде твердого, жидкого или газообразного состояния повсюду.

В твердом состоянии молекулы находятся близко друг к другу и сильно связаны, и не могут свободно перемещаться. Таким образом, требуется большое усилие, чтобы изменить его форму.

Молекулы в жидком состоянии не так сильно связаны, и поэтому очень маленького усилия достаточно, чтобы удерживать молекулы вместе.

В газообразном состоянии молекулы движутся хаотически и свободно, как будто они находятся в неограниченном состоянии, и тогда они движутся очень быстро, независимо от соседних молекул. Сжимаемость связана с газами, имеющими множество пустых пространств между соединяющими молекулами. Энергия - причина существования материи в различных фазах.

Чистое вещество

Материал с одиночной химической структурой или однородной химической структурой называется чистым веществом. Материал может существовать в одной фазе, такой как жидкость, или может существовать в более чем одной фазе в равновесии друг с другом. Однородная смесь газов с одинаковым химическим составом также называется чистым веществом.

Важность чистого вещества заключается в определении свойств рабочего вещества при различных условиях давления и температуры.

Пример: Для чистого вещества, такого как вода, можно полностью описать двумя самостоятельными интенсивными свойствами, такими как давление и температура. Другим чистым веществом является воздух в газообразном состоянии. Однако для неоднородного вещества требуется больше двух свойств, чтобы описать состояние.

Термодинамическое равновесие

В механике равновесие считается достигнутым, когда уравниваются противоположные силы. Однако смысл термодин