Інженерна термодинаміка: основи та принципи
Основи інженерної термодинаміки грають важливу роль у створенні кращого світу, покращуючи продуктивність обладнання та їх загальну конструкцію.
Фактори, які є ключовими для оцінки продуктивності обладнання, включають вихід кінцевого продукту, споживання сировини, вартість виробництва та оцінку впливу на навколишнє середовище. Інженери сьогодні використовують концепцію термодинаміки для дослідження та пересмотру речей, призначених для безпеки та комфортного життя людини.
Наука про термодинаміку існує з 19го століття. З того часу науковці та інженери постійно працювали над тим, щоб зробити її максимально зручною для користувачів.
Основи термодинаміки
Слово "термодинаміка" походить від грецьких слів "theme" (означає тепло) і "dynamics" (означає силу). Інженери-професіонали цікавляться вивченням систем та їх взаємодії з оточенням.
Концепції та визначення, використані в цьому розділі, допомагають читачам зрозуміти концепцію інженерної термодинаміки (іноді називається теплово-енергетичною інженерією).
Система, оточення та Всесвіт
Система - це те, що ми хочемо вивчити, тому першим кроком є точно визначити мету вивчення системи. Мета вивчення системи може бути покращення ефективності системи або зменшення втрат тощо. Прикладом системи може бути аналіз циклу холодильника в холодильній установці або аналіз циклу Ренкіна на електростанції.
Система визначається як певна маса чистої речовини, обмежена замкненою або гнучкою поверхнею; подібним чином, склад речовини всередині системи може бути сталим або змінним, залежно від циклу.
Розміри системи не обов'язково стали (як повітря в компресорі, яке стискається поршнем) вони можуть бути змінними (як наповнений повітряний кульок). Речовина, яка взаємодіє з системою ззовні, називається оточенням, а Всесвіт - це результат взаємодії системи з оточенням.
Елемент, який відокремлює систему від її оточення, називається границею. Границя системи може бути фіксованою або в русі.
Взаємодія між системою та оточенням відбувається через перетин границі, тому вона грає дуже важливу роль в термодинаміці (тобто в тепловій та енергетичній інженерії).
Типи систем в термодинаміці
Існує два основні типи систем в термодинаміці:
Замкнута система або контролювана маса: пов'язана з певною кількістю речовини. На відміну від відкритої системи, в замкнутій системі немає потоку речовини через границю системи. Існує особливий тип замкнутої системи, яка не взаємодіє з оточенням і ізольовані від нього, називається ізольованою системою.
Контрольний об'єм (відкрита система): контрольний об'єм обмежений регіоном простору, через який можуть потікати маса та енергія, перетинаючи границю системи. Границя відкритої системи називається контролюваною поверхнею; ця контролювана поверхня може бути реальною або нереальною.
Прикладами контрольного об'єму є обладнання, в яких відбувається потік маси через границю системи, такі як потік води через насоси, пару в турбинах та повітря в повітряних компресорах.
Мікроскопічна термодинаміка
Мікроскопічний підхід в термодинаміці також називається статистичною термодинамікою і пов'язаний з будовою речовини, а мета статистичної термодинаміки полягає в тому, щоб характеризувати середнє поведінку частинок, що становлять систему, і використовувати цю інформацію для спостереження макроскопічного поведінки системи.
Властивості, стани та процеси в термодинаміці
Термодинамічна властивість
Термодинамічна властивість - це макроскопічна характеристика системи. Значення властивості можна призначити в будь-який заданий момент без знання попереднього значення та його поведінки.
Розширена властивість
Властивості, які залежать від маси, називаються розширеними властивостями, а їх значення для загальної системи є сумою їх значень для частин, на які розбивається система. Прикладами розширених властивостей є об'єм, енергія та маса. Розширені властивості залежать від розміру системи і можуть змінюватися з часом.
Інтенсивна властивість
На відміну від розширеної властивості, інтенсивна властивість не залежить від маси, не є адитивною за своєю природою і не залежить від загального розміру системи. Вона може змінюватися в різних місцях системи в будь-який момент. Прикладами інтенсивних властивостей є тиск та температура.
Термодинамічний стан
Стан визначається як умова системи, яка найкраще описується її властивостями. Маса, заключена в системі, може знаходитися в різних унікальних умовах, які називаються станом. Існують зв'язки між властивостями системи, але стан можна визначити, надавши значення підмножини властивостей.
Термодинамічний процес
Термодинамічні процеси - це перетворення одного стану в інший. Якщо значення макроскопічної властивості системи в дві різні моменти часу однакові, то система вважається в одному стані. Стабільний стан системи досягається, якщо жодна з її властивостей не змінюється з часом.
Цикл рівноваги системи
Цикл рівноваги термодинамічної системи - це послідовний процес, який починається і завершується в одному і тому ж стані. Коли цикл завершується, всі його властивості мають такі самі значення, які вони мали на початку. Усі цикли, які повторюються регулярно, грають важливу роль у багатьох областях застосування, наприклад, циркуляція конденсату в тепловій електростанції виконує цикл.
Робоча речовина
Теорія матерії допомагає зрозуміти концепцію енергії. Матерія відома своєю масою, об'ємом та простором, і незалежно від її структури та природи, вона має певні характеристики, такі як стійкість та надійність. Матерія складається з великої кількості частинок, які називаються молекулами. Матерію можна знайти в твердому, рідкому або газоподібному стані.
У твердій матерії молекули розташовані близько одна до одної і сильно зв'язані, тому не можуть вільно переміщатися. Тому для зміни її форми потрібна велика сила.
Молекули в рідкій матерії не так сильно зв'язані, тому достатньо невеликої сили, щоб тримати їх разом.
У газоподібному стані молекули вільно переміщаються, як у незв'язаному стані, і рухаються дуже швидко, незалежно від суміжних молекул. Компресія пов'язана з газами, які мають багато порожніх просторів між зв'язаними молекулами. Енергія є причиною того, що матерія існує в різних фазах.
