Ingenjörstermodynamik: Grundläggande principer och teorier

Grundläggande principer inom ingenjörstermodynamik spelar en viktig roll för att skapa en bättre värld genom att förbättra prestandan hos anläggningar, utrustning och deras övergripande design.

Faktorer som är kritiska för att bedöma utrustningens prestanda inkluderar saker som slutprodukten, konsumtion av råmaterial, produktionskostnad och bedömning av effekterna på miljön. Ingenjörer använder idag begreppet termodynamik för att undersöka och omforma saker som är avsedda för människors säkerhet och bekvämlighet.

Vetenskapen termodynamik har existerat sedan 1800-talet. Sedan dess har vetenskapsmän och ingenjörer gjort ett konstant och oavbrutet försök att göra den så användarvänlig som möjligt.

Grundläggande principer i termodynamik

Ordet termodynamik härstammar från det grekiska ordet tema (som betyder värme) och dynamik (som betyder kraft). Ingenjörer intresserar sig för att studera system och deras interaktion med sin omgivning.

Begrepp och definitioner som används i denna sektion är hjälpsamma för läsarna för att förstå begreppet ingenjörstermodynamik (ibland kallat Värme-Kraftteknik).

System, Omgivning och Universum

Ett system är något vi vill studera och intresserar oss för, så det första steget är att fastställa precist syftet med systemstudien. Syftet med systemstudien kan vara att förbättra systemets effektivitet eller att minska förlusterna osv. Ett exempel på ett system kan vara att analysera kylningscykeln i ett kylmagasin eller att analysera Rankinecykeln i en kraftverk.

Ett system definieras som en bestämd mängd rent ämne begränsat av en stängd eller flexibel yta; på liknande sätt kan sammansättningen av ämnet inuti systemet vara fastställd eller varierande beroende på cykeln.

Systemdimensionerna behöver inte vara konstanta (som luften i en kompressor som komprimeras av en kolv) de kan vara variabla (som en blåst ballong). Det ämne som interagerar med systemet externt kallas Omgivning och Universum är resultatet av system och omgivning.

Det element som skiljer systemet från dess omgivning kallas gräns. Gränsen för systemet kan vara fastställd eller i rörelse.

Interaktionen mellan systemet och omgivningen sker genom att korsa gränsen och spelar därför en mycket viktig roll i termodynamik (dvs. värme- och kraftteknik).

Typer av System i Termodynamik

Det finns två grundläggande typer av system i termodynamik:

1. Stängt System eller Kontrollerad Massa: är associerat med en bestämd mängd materie. I motsats till ett öppet system, i ett stängt system, inträffar ingen massflöde av materia över gränsen för systemet. Det finns också en speciell typ av stängt system som inte interagerar och isolerar sig självt från omgivningen, vilket kallas ett isolerat system.

2. Kontrollerad Volym (Öppet System): Kontrollerad volym är begränsad till ett område i rummet genom vilket massa och energi kan flöda och korsa systemets gräns. Gränsen för ett öppet system kallas kontrollerad yta; denna kontrollerade yta kan vara verklig eller onästig.
   Exempel på kontrollerad volym är utrustning som involverar massflöde över systemets gräns, som vattenflöde genom pumpar, ångflöde i turbiner och luftflöde genom luftkompressorer.

Mikroskopisk Termodynamik

Den mikroskopiska metoden i termodynamik kallas också statistisk termodynamik och är associerad med strukturen av materia och målet med den statistiska termodynamiken är att karakterisera partiklarnas genomsnittliga beteende som utgör det intressanta systemet och i sin tur använda denna information för att observera systemets makroskopiska beteende.

Termodynamiska Egenskaper, Tillstånd och Processer

Termodynamisk Egenskap

En termodynamisk egenskap är en makroskopisk karaktär hos ett system. Värdet för en egenskap kan tilldelas vid valfritt givet tillfälle utan kunskap om tidigare värde och dess beteende.

Extensiv Egenskap

Egenskaper som beror på massa kallas extensiva egenskaper och dess värde för hela systemet är summan av dess värden för delarna i vilka systemet är indelat. Exempel på extensiva egenskaper är Volym, Energi och Massa. Extensiva egenskaper beror på systemets storlek och kan ändras med tiden.

Intensiv Egenskap

I motsats till extensiva egenskaper är en intensiv egenskap inte massberoende och icke-additiv i sin natur och beror inte på det totala systemets storlek. Den kan variera vid olika platser inom systemet vid valfritt tillfälle. Exempel på intensiva egenskaper är tryck och temperatur.

Termodynamiskt Tillstånd

Ett tillstånd definieras som systemets tillstånd som bäst beskrivs av dess egenskaper. Massan innesluten i ett system kan finnas i en rad unika tillstånd, kallade tillstånd. Det finns relationer mellan systemets egenskaper, men tillståndet kan specificeras genom att ge värdet för en delmängd av egenskaperna.

Termodynamisk Process

Termodynamiska processer är konverteringen av ett tillstånd till ett annat tillstånd. Om värdet av det makroskopiska egenskapen i ett system vid två olika tidpunkter är identiska, anses systemet vara i samma tillstånd vid den tiden. Steady state-villkor för systemet uppnås om ingen av dess egenskaper ändras med avseende på tid.

Systemets Jämviktscykel

En termodynamisk system jämviktscykel är en sekventiell process som börjar och avslutas med samma tillstånd. När cykeln slutförs har alla dess egenskaper samma värde som de hade i början. Alla cykler som upprepas regelbundet spelar en viktig roll i många tillämpningsområden, som cirkulationen av kondensat i en termisk kraftgenereringsstation utför en cykel.

Arbetssubstans

Teorin om materian är hjälpsam för att förstå energibegreppet. Materian kännetecknas av sin massa, volym och plats och oberoende av dess struktur och natur har den vissa egenskaper som konsekvens och tillförlitlighet. Materian består av ett stort antal partiklar kallade molekyler. Man kan hitta materiella fasta, flytande eller gasformiga formerna överallt.

I fast materiella är molekyler nära varandra och starkt bundna och kan inte röra sig fritt. Därför krävs stort kraft för att ändra dess form.

Molekyler i en flytande materiell är inte fast hållna och därför räcker en mycket liten kraft för att hålla molekyler ihop.

I ett gasformigt tillstånd rör molekyler sig slumpmässigt och fritt som om de vore i ett obegränsat tillstånd, då rör de sig mycket snabbt oberoende av sina angränsande molekyler. Komprimerbarhet är associerad med gaser, som har massor av tomrum mellan de anslutande molekylerna. Energi är orsaken till att materian existerar i olika faserna.

Ren Substans

Material med solo kemisk struktur eller homogenitet i variant kemisk struktur kallas rena substanser. Material kan existera i en enda fas som flytande eller kan också existera i mer än en fas i jämvikt med varandra. En enhetlig blandning av gaser med liknande kemisk sammansättning benämns också som ren substans.

Betydelsen av ren substans ligger i bestämningen av arbetssubstansens egenskaper under olika förhållanden av tryck och temperatur.

Exempel: För ren substans som vatten kan fullständigt beskrivas av två suveräna intensiva egenskaper kända som tryck och temperatur. En annan ren substans är luft i gasform. Men för ohomogena substanser krävs mer än två egenskaper för att beskriva tillståndet.

Termodynamisk Jämvikt

Inom mekanik sägs jä