Động lực Kỹ thuật Nhiệt: Nền tảng & Nguyên lý
Các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật nhiệt động lực học đóng vai trò quan trọng trong việc hướng tới một thế giới tốt hơn, thông qua cải thiện hiệu suất của nhà máy, thiết bị và thiết kế tổng thể của chúng.
Các yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của thiết bị bao gồm các mục như sản lượng cuối cùng, tiêu thụ nguyên liệu đầu vào, chi phí sản xuất và đánh giá tác động đến môi trường. Các kỹ sư ngày nay đang sử dụng khái niệm nhiệt động lực học để kiểm tra và sáng tạo lại những thứ nhằm đảm bảo an toàn và thoải mái cho con người.
Khoa học nhiệt động lực học đã tồn tại từ thế kỷ 19. Từ đó, các nhà khoa học và kỹ sư đã liên tục nỗ lực làm cho nó trở nên dễ sử dụng nhất có thể.
Các Nguyên lý Cơ bản của Nhiệt động lực học
Từ "nhiệt động lực học" được bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp với từ theme (có nghĩa là nhiệt) và dynamics (có nghĩa là lực). Các chuyên gia kỹ thuật quan tâm đến việc nghiên cứu các hệ thống và sự tương tác của chúng với môi trường xung quanh.
Các khái niệm/định nghĩa được sử dụng trong phần này sẽ giúp độc giả hiểu rõ hơn về khái niệm nhiệt động lực học kỹ thuật (thường được gọi là Kỹ thuật Nhiệt - Điện).
Hệ thống, Môi trường Xung Quanh và Vũ trụ
Hệ thống là thứ mà chúng ta muốn nghiên cứu và quan tâm, do đó bước đầu tiên là xác định chính xác mục tiêu của việc nghiên cứu hệ thống. Mục tiêu của việc nghiên cứu hệ thống có thể là cải thiện hiệu suất của hệ thống hoặc giảm thiểu tổn thất, v.v. Ví dụ về Hệ thống có thể là phân tích chu kỳ làm lạnh trong nhà kho lạnh hoặc phân tích chu kỳ Rankine trong nhà máy điện.
Hệ thống được định nghĩa là một khối chất tinh khiết có kích thước xác định, được giới hạn bởi một bề mặt kín hoặc linh hoạt; tương tự, thành phần vật chất bên trong hệ thống có thể cố định hoặc thay đổi tùy thuộc vào chu kỳ.
Kích thước của hệ thống không nhất thiết phải cố định (như không khí trong máy nén bị nén bởi piston) mà có thể thay đổi (như quả bóng bay phồng lên). Chất liệu tương tác với hệ thống từ bên ngoài được gọi là Môi trường Xung Quanh và Vũ trụ là kết quả của hệ thống và môi trường xung quanh.
Thành phần tách biệt hệ thống khỏi môi trường xung quanh được gọi là ranh giới. Ranh giới của hệ thống có thể cố định hoặc di chuyển.
Sự tương tác giữa hệ thống và môi trường xung quanh diễn ra bằng cách vượt qua ranh giới và do đó đóng vai trò rất quan trọng trong nhiệt động lực học (tức là nhiệt và điện).
Các Loại Hệ thống trong Nhiệt động lực học
Có hai loại hệ thống cơ bản trong nhiệt động lực học:
Hệ thống Đóng hoặc Khối Điều khiển: là hệ thống liên quan đến khối lượng vật chất xác định. Không giống như hệ thống mở, trong hệ thống đóng, không có dòng chảy vật chất xảy ra qua ranh giới của hệ thống. Cũng có một loại hệ thống đóng đặc biệt không tương tác và tự cô lập mình khỏi môi trường xung quanh, được gọi là hệ thống cô lập.
Khối Điều khiển (Hệ thống Mở): Khối điều khiển được giới hạn bởi một vùng không gian mà năng lượng và khối lượng có thể đi qua và vượt qua ranh giới của hệ thống. Ranh giới của hệ thống mở được gọi là bề mặt điều khiển; bề mặt điều khiển này có thể là thực tế hoặc tưởng tượng.
Ví dụ về khối điều khiển là các loại thiết bị liên quan đến dòng chảy của khối lượng vượt qua ranh giới của hệ thống như dòng chảy nước qua máy bơm, dòng chảy hơi trong tua-bin và dòng chảy không khí qua máy nén không khí.
Nhiệt động lực học Vi mô
Phương pháp vi mô trong nhiệt động lực học còn được gọi là nhiệt động lực học thống kê và liên quan đến cấu trúc của vật chất, mục tiêu của nhiệt động lực học thống kê là mô tả hành vi trung bình của các hạt tạo nên hệ thống quan tâm và sau đó sử dụng thông tin này để quan sát hành vi vĩ mô của hệ thống.
Tính chất, Trạng thái và Quá trình Nhiệt động lực học
Tính chất Nhiệt động lực học
Tính chất nhiệt động lực học là đặc trưng vĩ mô của một hệ thống. Giá trị của một tính chất có thể được gán tại bất kỳ thời điểm nào mà không cần biết giá trị trước đó và hành vi của nó.
Tính chất Mở rộng
Các tính chất phụ thuộc vào khối lượng được gọi là tính chất mở rộng và giá trị của nó cho toàn bộ hệ thống là tổng của các giá trị của nó cho các phần mà hệ thống được chia. Ví dụ về tính chất mở rộng là Thể tích, Năng lượng và Khối lượng. Tính chất mở rộng phụ thuộc vào kích thước của hệ thống và có thể thay đổi theo thời gian.
Tính chất Tập trung
Ngược lại với tính chất mở rộng, tính chất tập trung không phụ thuộc vào khối lượng và không có tính cộng dồn và không phụ thuộc vào kích thước tổng thể của hệ thống. Nó có thể thay đổi ở các vị trí khác nhau trong hệ thống tại bất kỳ thời điểm nào. Ví dụ về tính chất tập trung là áp suất và nhiệt độ.
Trạng thái Nhiệt động lực học
Trạng thái được định nghĩa là điều kiện của hệ thống được mô tả tốt nhất bởi các tính chất của nó. Khối lượng nằm trong hệ thống có thể tồn tại trong nhiều điều kiện duy nhất, được gọi là trạng thái. Có mối quan hệ giữa các tính chất của hệ thống nhưng trạng thái có thể được chỉ định bằng cách cung cấp giá trị của một tập hợp con của các tính chất.
Quá trình Nhiệt động lực học
Quá trình nhiệt động lực học là sự chuyển đổi từ một trạng thái sang trạng thái khác. Nếu giá trị của tính chất vĩ mô của hệ thống tại hai thời điểm khác nhau là giống nhau thì hệ thống được coi là ở cùng một trạng thái tại thời điểm đó. Điều kiện ổn định của hệ thống đạt được nếu không có tính chất nào của nó thay đổi theo thời gian.
Chu kỳ Cân bằng Hệ thống
Một chu kỳ cân bằng hệ thống nhiệt động lực học là một quá trình tuần tự bắt đầu và kết thúc với điều kiện của cùng một trạng thái. Khi chu kỳ hoàn thành, tất cả các tính chất của nó đều có cùng giá trị như ban đầu. Tất cả các chu kỳ lặp lại đều đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng, như lưu thông nước ngưng tụ trong nhà máy phát điện nhiệt điện thực hiện một chu kỳ.
Chất Làm Việc
Lý thuyết về vật chất hữu ích trong việc hiểu khái niệm năng lượng. Vật chất được biết đến với khối lượng, thể tích và không gian và bất kể cấu trúc và bản chất của nó, nó có một số đặc điểm như tính nhất quán và đáng tin cậy. Vật chất được tạo thành từ một số lớn các hạt gọi là phân tử. Người ta có thể tìm thấy vật chất ở dạng rắn, lỏng hoặc khí ở mọi nơi.
Trong vật chất rắn, các phân tử gần nhau và được gắn kết chặt chẽ và không thể di chuyển tự do. Do đó, cần một lực lớn để thay đổi hình dạng của nó.
Các phân tử trong vật chất lỏng không được giữ chặt và do đó một lực rất nhỏ là đủ để giữ các phân tử lại với nhau.
Trong trạng thái khí, các phân tử di chuyển ngẫu nhiên và tự do như thể chúng ở trạng thái không ràng buộc, sau đó chúng di chuyển rất nhanh bất kể các phân tử liền kề. Tính nén liên quan đến khí, có nhiều khoảng trống giữa các phân tử liên kết. Năng lượng là lý do khiến vật chất tồn tại ở các pha khác nhau.
Chất Sạch
Vật liệu có cấu trúc hóa học đơn lẻ hoặc đồng nhất trong cấu trúc hóa học biến đổi được gọi là chất sạch. Vật liệu có thể tồn tại ở một pha duy nhất như lỏng hoặc cũng có thể tồn tại ở nhiều pha trong trạng thái cân bằng với nhau. Một hỗn hợp đồng nhất của các khí có cùng thành phần hóa học cũng được gọi là chất sạch.
Điều quan trọng của chất sạch là xác định các tính chất của chất làm việc ở các điều kiện áp suất và nhiệt độ khác nhau.
Ví dụ: Đối với chất sạch như nước có thể được mô tả đầy đủ bằng hai tính chất tập trung độc lập được gọi là áp suất và nhiệt độ. Một chất sạch khác là không khí ở trạng thái khí. Nhưng đối với chất không đồng nhất, cần nhiều hơn hai tính chất để mô tả trạng thái.
Cân bằng Nhiệt động lực học
Trong cơ học, cân bằng được coi là đã đạt được khi chúng ta cân bằng các lực đối kháng. Nhưng ý nghĩa của cân bằng nhiệt động lực học khác xa và sâu rộng hơn vì nó liên quan đến việc cân bằng nhiều ảnh hưởng khác (giữa hệ thống và môi trường xung quanh) ngoài việc cân bằng các lực đối kháng). Để đạt được cân bằng hoàn toàn trong hệ thống, người ta cần phải đáp ứng điều kiện cho cân bằng cơ học, nhiệt, pha và hóa học.
Trong phần này, chúng ta giới hạn cuộc thảo luận của mình vào cân bằng nhiệt động lực học. Sự nhấn mạnh vào việc có các trạng thái cân bằng và sự thay đổi từ một trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác được mô tả tốt nhất bởi Nhiệt động lực học cổ điển.
