Inženirska termodinamika: Osnove in načela
Osnove inženirske termodinamike igrajo pomembno vlogo pri premiku k boljšemu svetu, s izboljšanjem delovanja tovarne, opreme in njihovega splošnega načrta.
Faktorji, ki so ključni za ocenjevanje učinkovitosti opreme, so stvari, kot je izhod končnega izdelka, poraba vhodnih surovin, stroški proizvodnje in ocena vpliva na okolje. Inženirji danes uporabljajo koncept termodinamike za preučevanje in ponovno razmišljanje o stvareh, ki so namenjene varnosti in udobju ljudi.
Veda o termodinamiki obstaja od 19. stoletja. Od takrat znanstveniki in inženirji nenehno in trudno delajo, da bi jo čim bolj uporabnikom prijazno.
Osnove termodinamike
Beseda termodinamika izhaja iz grške besede tema (pomeni toplota) in dinamika (pomeni sila). Inženirski strokovnjaki so zainteresirani za študij sistemov in njihove interakcije z okolico.
Koncepti/definicije, uporabljeni v tem razdelku, so koristni za bralce pri razumevanju koncepta inženirske termodinamike (neskotoma se nanaša tudi na Toplotno Energetiko)
Sistem, okolica in vesolje
Sistem je nekaj, kar želimo študirati in se zanjo zanimamo, zato je prvi korak določiti natančno cilj študija sistema. Cilj študija sistema lahko vključuje izboljšanje učinkovitosti sistema ali zmanjšanje izgub itd. Primer sistema bi bil analiza hladilnega cikla v hladilni napravi ali analiza Rankineovega cikla v elektrarni.
Sistem je definiran kot določena masa čiste snovi, omejena z zaprto ali gibljivo površino; podobno lahko sestava snovi znotraj sistema ostane fiksna ali se spreminja glede na cikel.
Dimenzije sistema niso nujno konstantne (kot je zrak v kompresorju, ki ga stisne piston) lahko so spremenljive (kot je nadut balon). Snov, ki se znotraj sistema zunanje interakcije, se imenuje okolica, vesolje pa je rezultat sistema in okolice.
Element, ki ločuje sistem od njegove okolice, se imenuje meja. Meja sistema lahko ni fiksna ali se premika.
Interakcija med sistemom in okolico poteka z prehodom preko meje in tako igra zelo pomembno vlogo v termodinamiki (tj. topotno energetiki).
Vrste sistemov v termodinamiki
Obstoje dve osnovni vrsti sistemov v termodinamiki:
Zaprto sistemo ali kontrolna masa: je povezana z določeno količino snovi. V primeru zaprtega sistema, ki ni odprt, se ne dogaja pretok snovi preko meje sistema. Obstaja tudi posebna vrsta zaprtega sistema, ki se ne interakcira in se izole od okolice, in se imenuje izoliran sistem.
Kontrolni prostornini (odprti sistem): Kontrolni prostornini so omejeni na območje prostora, skozi katerega lahko energija in masa tečejo in prekoračijo mejo sistema. Meja odprtega sistema se imenuje kontrolna površina, ta kontrolna površina pa lahko obstaja dejansko ali ne.
Mikroskopska termodinamika
Mikroskopski pristop v termodinamiki se tudi imenuje statistična termodinamika in je povezan s strukturo snovi, cilj statistične termodinamike pa je karakterizirati povprečno obnašanje delcev, ki sestavljajo sistem, in s tem uporabiti to informacijo za opazovanje makroskopskega obnašanja sistema.
Lastnosti, stanja in procesi v termodinamiki
Termodinamična lastnost
Termodinamična lastnost je makroskopska značilnost sistema. Vrednost lastnosti se lahko določi v poljubnem trenutku brez predhodnega poznavanja prejšnje vrednosti in njenega ravnanja.
Razširjena lastnost
Lastnosti, ki so odvisne od mase, se imenujejo razširjene lastnosti, njihova vrednost za celoten sistem je vsota njihovih vrednosti za dele, v katere je sistem razdeljen. Primeri razširjenih lastnosti so Prostornina, Energija in Masa. Razširjena lastnost je odvisna od velikosti sistema in se lahko spreminja s časom.
Intenzivna lastnost
V nasprotju z razširjeno lastnostjo intenzivna lastnost ni odvisna od mase in ni aditivna po naravi in ne odvisna od skupne velikosti sistema. Lahko se razlikuje na različnih mestih znotraj sistema v poljubnem trenutku. Primeri intenzivnih lastnosti so tlak in temperatura.
Termodinamično stanje
Stanje je definirano kot stanje sistema, ki je najbolje opisano z njegovimi lastnostmi. Masa, zaprta v sistemu, se lahko nahaja v različnih enoličnih pogojih, imenovanih stanje. Med lastnostmi sistema obstajajo relacije, a stanje se lahko določi z zagotavljanjem vrednosti podmnožice lastnosti.
Termodinamični proces
Termodinamični procesi so pretvorba enega stanja v drugo. Če je vrednost makroskopske lastnosti v sistemu v dveh različnih časih identična, se sistem v tem času nahaja v istem stanju. Stanje stabilnega stanja sistema je doseženo, če nobena od njegovih lastnosti ne spremeni s časom.
Cikel ekvilibrijskega stanja sistema
Cikel ekvilibrijskega stanja termodinamičnega sistema je zaporedni postopek, ki se začne in konča v enakem stanju. Ko se cikel zaključi, imajo vse njegove lastnosti enako vrednost, kot so jih imeli na začetku. Vsi cikli, ki se redno ponavljajo, igrajo ključno vlogo v mnogih področjih uporabe, kot je cirkulacija kondenzata v termoelektrarni.
Delovna snov
Teorija snovi je koristna za razumevanje koncepta energije. Snov je znana po svoji masi, prostornini in prostoru, ne glede na njeno strukturo in naravo ima določene značilnosti, kot so doslednost in zanesljivost. Snov je sestavljena iz velikega števila delcev, imenovanih molekule. Stranske, tekoče ali plinske snovi lahko najdemo povsod.
V trdnih snovih so molekule blizu druga druge in močno vezane, zato velika sila zahteva, da se spremeni njihova oblika.
Molekule v tekočih snovah niso močno vezane, zato je zelo majhna sila dovolj, da molekule drži skupaj.
V plinskem stanju se molekule naključno in prosto gibljejo, kot da so v nevezanem stanju, potem se gibljejo zelo hitro, ne glede na sosednje molekule. Tlačljivost je povezana s plini, ki imajo veliko praznih prostorov med povezovalnimi molekulami. Energija je vzrok, da snov obstaja v različnih fazah.
Čista snov
Material s solo kemijsko strukturo ali homogenostjo v variantni kemijski strukturi se imenuje čista snov. Material lahko obstaja v eni fazi, kot je tekočina, ali pa lahko obstaja v več faza v ravnovesju med sabo. Enakomerna mešanica plinov s podobno kemijsko sestavo se tudi imenuje čista snov.
Pomembnost čiste snovi je v določanju lastnosti delovne snovi pri različnih pogojih tlaka in temperature.
Primer: Čista snov, kot je voda, se lahko popolnoma opiše z dvema samostojnima intenzivnima lastnostma, imenovanimi tlak in temperatura. Druga čista snov je zrak v plinskem stanju. Za nehomogene snovi pa je potrebnih več kot dva lastnosti, da bi opisali stanje.
