Inženjerska termodinamika: Osnove i principi
Osnove inženjerske termodinamike igraju važnu ulogu u stvaranju boljeg sveta, kroz poboljšanje performansi postrojenja, opreme i njihovog ukupnog dizajna.
Faktori koji su ključni za procenu performansi opreme su stvari poput izlaza konačnog proizvoda, potrošnje ulaznih sirovina, troškova proizvodnje i procene uticaja na okoliš. Inženjeri danas koriste koncept termodinamike kako bi ispitivali i ponovo pravili stvari koje su namenjene ljudskoj sigurnosti i udobstvu.
Nauka o termodinamici postoji od 19. veka. Od tada naučnici i inženjeri stalno i neprekidno ulaže napore da je čine što korisnijom.
Osnove termodinamike
Reč termodinamika potiče od grčkih reči theme (znači toplota) i dynamics (znači sila). Stručnjaci za inženjerstvo zanimaju se proučavanjem sistema i njihovim interakcijama sa okruženjem.
Koncepti/definicije korišćeni u ovom delu su korisni čitaocima za razumevanje koncepta inženjerske termodinamike (neko put nazivane Toplotno-silovinsko inženjerstvo)
Sistem, okruženje i univerzum
Sistem je ono što želimo da proučavamo i interesuje nas, tako da je prvi korak da precizno odredimo cilj proučavanja sistema. Cilj proučavanja sistema može biti poboljšanje efikasnosti sistema ili smanjenje gubitaka itd. Primer sistema može biti analiza ciklusa hladnjenja u hladnjaku ili analiza Rankineovog ciklusa u elektrane.
Sistem se definiše kao određena masa čistog materijala ograničenog zatvorenom ili fleksibilnom površinom; slično tome, sastav materije unutar sistema može biti fiksiran ili promenljiv u zavisnosti od ciklusa.
Dimenzije sistema nisu nužno konstantne (poput zračnog kompresora koji se kompresira pomoću štapa) mogu biti promenljive (poput naduvenog balona). Materija koja se vanjski interaguje sa sistemom naziva se okruženje, a univerzum je rezultat sistema i okruženja.
Element koji razdvaja sistem od njegovog okruženja zove se granica. Granica sistema može biti fiksirana ili u pokretu.
Interakcija između sistema i okruženja odvija se prelaskom granice i time igra veoma važnu ulogu u termodinamici (odnosno toplo-silovinskom inženjerstvu).
Vrste sistema u termodinamici
Postoje dve osnovne vrste sistema u termodinamici:
Zatvoren sistem ili kontrolna masa: vezan je za određenu količinu materije. U suprotnosti sa otvorenim sistemom, u zatvorenom sistemu ne dolazi do protoka mase materije preko granice sistema. Postoji i specifična vrsta zatvorenog sistema koji se ne interaguje i izoluje se od okruženja, ta vrsta se naziva izolovani sistem.
Kontrolni obujam (otvoreni sistem): Kontrolni obujam ograničen je na region prostora kroz koji može proticati masa i energija i preći granicu sistema. Granica otvorenog sistema zove se kontrolna površina; ova kontrolna površina može biti stvarna ili neprava.
Primeri kontrolnog obujma su tipovi opreme koji uključuju protok mase preko granice sistema, poput protoka vode kroz pumpu, protoka pare u turbine i protoka zraka kroz zračni kompresor.
Mikroskopska termodinamika
Mikroskopski pristup u termodinamici se takođe zove statistička termodinamika i vezan je za strukturu materije, a cilj statističke termodinamike je da karakterizuje prosečno ponašanje čestica koje čine sistem interesovanja i na taj način koristi te informacije da posmatra makroskopsko ponašanje sistema.
Termodinamička svojstva, stanja i procesi
Termodinamičko svojstvo
Termodinamičko svojstvo je makroskopska karakteristika sistema. Vrednost svojstva može se dodeliti u bilo kom trenutku bez poznavanja prethodne vrednosti i njegovog ponašanja.
Ekstenzivno svojstvo
Svojstva koja su zavisna od mase nazivaju se ekstenzivnim svojstvima, a njihova vrednost za celokupni sistem je zbir njihovih vrednosti za dele na koje je podeljen sistem. Primeri ekstenzivnih svojstava su zapremina, energija i masa. Ekstenzivna svojstva zavise od veličine sistema i mogu se menjati tokom vremena.
Intenzivno svojstvo
U suprotnosti sa ekstenzivnim svojstvom, intenzivno svojstvo nije zavisno od mase i aditivno po prirodi, i ne zavisi od ukupne veličine sistema. Može se razlikovati na različitim mestima unutar sistema u bilo kom trenutku. Primeri intenzivnih svojstava su pritisak i temperatura.
Termodinamičko stanje
Stanje se definiše kao stanje sistema koje je najbolje opisano njegovim svojstvima. Masa uključena u sistem može se naći u različitim jedinstvenim stanjima, nazvanim stanje. Postoje odnosi između svojstava sistema, ali stanje može biti specificirano navođenjem vrednosti podskupa svojstava.
Termodinamički proces
Termodinamički procesi su pretvorba jednog stanja u drugo. Ako su vrednosti makroskopskih svojstava u sistemu u dva različita vremenska trenutka identične, tada se sistem smatra u istom stanju u tom vremenu. Stabilno stanje sistema dostiže se ako nijedno od njegovih svojstava ne menja u odnosu na vreme.
Ciklus ravnoteže sistema
Ciklus ravnoteže termodinamičkog sistema je sekvencijalni proces koji počinje i završava sa uslovima istog stanja. Kada se ciklus završi, sva svojstva imaju istu vrednost koju su imali na početku. Svi ciklusi koji se redovno ponavljaju igraju ključnu ulogu u mnogim oblastima primene, poput cirkulacije kondenzata u termoelektrani izvršava ciklus.
Rabljena supstanca
Teorija materije je korisna za razumevanje koncepta energije. Materija je poznata po svojoj masi, zapremini i prostoru, i bez obzira na svoju strukturu i prirodu ima određene karakteristike poput konzistentnosti i pouzdanosti. Materija je napravljena od velikog broja čestica koje se zovu molekuli. Molekule se mogu pronaći u čvrstom, tečnom ili plinovitom stanju svuda oko nas.
U čvrstoj materiji, molekuli su blizu jedni drugih i jako vezani, te ne mogu slobodno kretati. Tako je potrebna velika sila da se promeni njena forma.
Molekuli u tečnoj materiji nisu čvrsto vezani, pa je dovoljno mala sila da ih drži zajedno.
U plinovitom stanju, molekuli se slobodno i nasumično kreću, kao da su u nevezanom stanju, pa se brzo kreću bez obzira na susedne molekule. Komprimiranjem se povezuje sa plinovima, koji imaju puno praznog prostora između povezanih molekula. Energija je razlog za to da materija postoji u različitim fazama.
Čista supstanca
Materija sa solo hemijskom strukturom ili homogenost u varijantnoj hemijskoj strukturi se naziva čista supstanca. Materija može postojati u jednoj fazi, poput tečnosti, ili može postojati u više faza u ravnoteži međusobno. Uniformna mešavina plinova sa sličnom hemijskom kompozicijom takođe se naziva čista supstanca.
Važnost čiste supstance je u određivanju svojstava rabljene supstance u različitim uslovima pritiska i temperature.
Primer: Za čistu supstancu, poput vode, može se potpuno opisati dva samostalna intenzivna svojstva, pritisak i temperatura. Druga čista supstanca je
