Nghiên cứu mối quan hệ giữa năng lượng và entropi là những gì kỹ thuật nhiệt động lực học nghiên cứu. Nó bao gồm một tập hợp toàn bộ các lý thuyết liên quan đến các đặc tính vĩ mô có thể đo lường được (nhiệt độ, áp suất và thể tích) với năng lượng và khả năng thực hiện công việc của nó.
Giới thiệu
Các khái niệm về nhiệt và nhiệt độ là nền tảng cơ bản nhất cho nhiệt động lực học kỹ thuật. Nó có thể được gọi là khoa học về tất cả các hiện tượng phụ thuộc vào nhiệt độ và những thay đổi của nó. Trong vật lý thống kê, mà nó hiện là một phần, nó là một trong những lý thuyết tuyệt vời dựa trên sự hiểu biết hiện tại về vật chất. Hệ nhiệt động lực học được định nghĩa là một lượng vật chất có khối lượng cố định và đồng nhất. Mọi thứ bên ngoài đối với nó là môi trường mà từ đó nó bị ngăn cách bởi các ranh giới. Các ứng dụng của nhiệt động lực học kỹ thuật bao gồm các cấu tạo như:
- máy lạnh và tủ lạnh;
- bộ tăng áp và bộ siêu nạp trong động cơ ô tô;
- tuabin hơi trong nhà máy điện;
- phản ứngđộng cơ máy bay.
Nhiệt và nhiệt độ
Mỗi người có kiến thức trực quan về khái niệm nhiệt độ. Cơ thể nóng hay lạnh tùy thuộc vào nhiệt độ cao hay ít. Nhưng định nghĩa chính xác thì khó hơn. Trong nhiệt động lực học kỹ thuật cổ điển, nhiệt độ tuyệt đối của một vật được xác định. Nó dẫn đến việc tạo ra thang đo Kelvin. Nhiệt độ tối thiểu cho tất cả các vật thể là 0 Kelvin (-273, 15 ° C). Đây là độ không tuyệt đối, khái niệm xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1702 nhờ nhà vật lý người Pháp Guillaume Amonton.
Nhiệt khó định nghĩa hơn. Nhiệt động lực học kỹ thuật giải thích nó là sự truyền năng lượng ngẫu nhiên từ hệ thống ra môi trường bên ngoài. Nó tương ứng với động năng của các phân tử chuyển động và chịu các tác động ngẫu nhiên (chuyển động Brown). Năng lượng được truyền đi được gọi là rối loạn ở cấp độ vi mô, trái ngược với thứ tự, được thực hiện thông qua công việc ở cấp độ vĩ mô.
Trạng thái của vấn đề
Trạng thái của vật chất là sự mô tả kiểu cấu trúc vật chất mà một chất thể hiện. Nó có các đặc tính mô tả cách một vật liệu duy trì cấu trúc của nó. Có năm trạng thái của vật chất:
- khí;
- lỏng;
- thân rắn;
- huyết tương;
- siêu lỏng (hiếm nhất).
Nhiều chất có thể di chuyển giữa các pha khí, lỏng và rắn. Plasma là một trạng thái đặc biệt của vật chấtnhư tia chớp.
Nhiệt dung
Nhiệt dung (C) là tỷ số giữa sự thay đổi của nhiệt (ΔQ, trong đó ký tự Hy Lạp Delta là viết tắt của đại lượng) với sự thay đổi của nhiệt độ (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Cô ấy thể hiện sự dễ dàng khi chất này được làm nóng. Một dây dẫn nhiệt tốt có định mức điện dung thấp. Cách nhiệt mạnh mẽ với khả năng tỏa nhiệt cao.
Thuật ngữ
Mỗi ngành khoa học có từ vựng riêng biệt. Các khái niệm cơ bản của nhiệt động lực học kỹ thuật bao gồm:
- Truyền nhiệt là sự trao đổi nhiệt độ lẫn nhau giữa hai chất.
- Phương pháp tiếp cận vi mô - nghiên cứu hành vi của từng nguyên tử và phân tử (cơ học lượng tử).
- Phương pháp tiếp cận vĩ mô - quan sát hành vi chung của nhiều hạt.
- Hệ nhiệt động lực học là lượng chất hoặc diện tích trong không gian được chọn để nghiên cứu.
- Môi trường - tất cả các hệ thống bên ngoài.
- Dẫn - nhiệt được truyền qua một vật rắn được nung nóng.
- Đối lưu - các hạt bị đốt nóng trả lại nhiệt cho chất khác.
- Bức xạ - nhiệt được truyền qua sóng điện từ, chẳng hạn như từ mặt trời.
- Entropy - trong nhiệt động lực học là một đại lượng vật lý dùng để đặc trưng cho quá trình đẳng nhiệt.
Thông tin thêm về khoa học
Việc giải thích nhiệt động lực học như một bộ môn vật lý riêng biệt là không hoàn toàn đúng. Nó ảnh hưởng đến hầu hết mọi thứkhu vực. Nếu không có khả năng sử dụng năng lượng bên trong của hệ thống để thực hiện công việc, các nhà vật lý sẽ không có gì để nghiên cứu. Ngoài ra còn có một số lĩnh vực nhiệt động lực học rất hữu ích:
- Kỹ thuật nhiệt. Nó nghiên cứu hai khả năng truyền năng lượng: công và nhiệt. Gắn liền với việc đánh giá sự truyền năng lượng trong chất làm việc của máy.
- Cryophysics (cryogenics) - khoa học về nhiệt độ thấp. Khám phá các tính chất vật lý của các chất trong các điều kiện trải qua ngay cả ở vùng lạnh nhất của Trái đất. Một ví dụ về điều này là nghiên cứu về chất siêu lỏng.
- Thủy động lực học là nghiên cứu về các tính chất vật lý của chất lỏng.
- Vật lý của áp suất cao. Khám phá các tính chất vật lý của các chất trong hệ thống áp suất cực cao liên quan đến động lực học chất lỏng.
- Khí tượng học là nghiên cứu khoa học về bầu khí quyển, tập trung vào các quá trình thời tiết và dự báo.
- Vật lý Plasma - nghiên cứu vật chất ở trạng thái plasma.
Luật số không
Chủ đề và phương pháp của nhiệt động lực học kỹ thuật là những quan sát thực nghiệm được viết dưới dạng định luật. Định luật 0 của nhiệt động lực học phát biểu rằng khi hai vật có cùng nhiệt độ với một phần ba thì chúng có cùng nhiệt độ với nhau. Ví dụ: một khối đồng được đưa tiếp xúc với nhiệt kế cho đến khi nhiệt độ bằng nhau. Sau đó, nó được gỡ bỏ. Khối đồng thứ hai được đưa vào tiếp xúc với cùng một nhiệt kế. Nếu không có sự thay đổi về mức độ thủy ngân, thì chúng ta có thể nói rằng cả hai khối đều ởcân bằng nhiệt bằng nhiệt kế.
Luật đầu tiên
Định luật này nói rằng khi hệ thống trải qua một sự thay đổi trạng thái, năng lượng có thể vượt qua ranh giới dưới dạng nhiệt hoặc dưới dạng công. Mỗi người trong số họ có thể tích cực hoặc tiêu cực. Năng lượng thực thay đổi của một hệ luôn luôn bằng năng lượng thực đi qua ranh giới của hệ thống. Cái sau có thể là bên trong, động học hoặc thế năng.
Luật thứ hai
Nó được sử dụng để xác định hướng mà một quá trình nhiệt cụ thể có thể diễn ra. Định luật nhiệt động lực học này nói rằng không thể tạo ra một thiết bị hoạt động theo chu trình và không tạo ra tác dụng nào khác ngoài việc truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp hơn sang vật nóng hơn. Đôi khi nó được gọi là định luật entropy vì nó giới thiệu tính chất quan trọng này. Entropy có thể được coi là thước đo mức độ gần của một hệ thống với trạng thái cân bằng hoặc rối loạn.
Quá trình nhiệt
Hệ thống trải qua một quá trình nhiệt động lực học khi một dạng thay đổi năng lượng nào đó xảy ra trong nó, thường gắn liền với sự biến đổi của áp suất, thể tích, nhiệt độ. Có một số loại cụ thể với các thuộc tính đặc biệt:
- đoạn nhiệt - không có trao đổi nhiệt trong hệ thống;
- isochoric - không thay đổi âm lượng;
- isobaric - không thay đổi áp suất;
- đẳng nhiệt - không thay đổi nhiệt độ.
Đảo ngược
Một quá trình có thể đảo ngược là một quá trình mà sau khi nó đã diễn ra, có thểđã hủy bỏ. Nó không để lại bất kỳ thay đổi nào trong hệ thống hoặc trong môi trường. Để có thể đảo ngược, hệ thống phải ở trạng thái cân bằng. Có những yếu tố làm cho quá trình này không thể đảo ngược. Ví dụ: ma sát và sự giãn nở khi chạy trốn.
Đơn
Nhiều khía cạnh của cuộc sống của nhân loại hiện đại được xây dựng trên nền tảng của kỹ thuật nhiệt. Chúng bao gồm:
- Tất cả các phương tiện (ô tô, xe máy, xe đẩy, tàu thủy, máy bay, v.v.) đều hoạt động trên cơ sở định luật thứ hai của nhiệt động lực học và chu trình Carnot. Họ có thể sử dụng động cơ xăng hoặc diesel, nhưng luật vẫn như cũ.
- Máy nén khí, máy thổi, quạt hoạt động theo các chu kỳ nhiệt động lực học khác nhau.
- Trao đổi nhiệt được sử dụng trong các thiết bị bay hơi, bình ngưng, bộ tản nhiệt, bộ làm mát, bộ sưởi.
- Tủ lạnh, tủ đông, hệ thống lạnh công nghiệp, tất cả các loại hệ thống điều hòa không khí và máy bơm nhiệt hoạt động do định luật thứ hai.
Nhiệt động lực học kỹ thuật cũng bao gồm việc nghiên cứu các loại nhà máy điện khác nhau: nhiệt điện, hạt nhân, thủy điện, dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo (như mặt trời, gió, địa nhiệt), thủy triều, sóng và các loại khác.
