Ang pag-aaral ng ugnayan sa pagitan ng enerhiya at entropy ang pinag-aaralan ng teknikal na thermodynamics. Sinasaklaw nito ang isang buong hanay ng mga teorya na nag-uugnay ng mga masusukat na macroscopic na katangian (temperatura, presyon, at volume) sa enerhiya at ang kakayahan nitong gumawa ng trabaho.
Introduction
Ang mga konsepto ng init at temperatura ay ang pinakapangunahing para sa teknikal na thermodynamics. Maaari itong tawaging agham ng lahat ng mga phenomena na nakasalalay sa temperatura at mga pagbabago nito. Sa istatistikal na pisika, kung saan ito ay bahagi na ngayon, isa ito sa mga dakilang teorya kung saan nakabatay ang kasalukuyang pag-unawa sa bagay. Ang isang thermodynamic system ay tinukoy bilang isang dami ng bagay ng isang nakapirming masa at pagkakakilanlan. Lahat ng panlabas dito ay ang kapaligiran kung saan ito ay pinaghihiwalay ng mga hangganan. Kasama sa mga aplikasyon ng teknikal na thermodynamics ang mga konstruksyon gaya ng:
- air conditioner at refrigerator;
- turbocharger at supercharger sa mga automotive engine;
- steam turbines sa mga power plant;
- reaktibomga makina ng sasakyang panghimpapawid.
Init at temperatura
Bawat tao ay may intuitive na kaalaman sa konsepto ng temperatura. Mainit o malamig ang katawan, depende kung mas mataas o mas mataas ang temperatura nito. Ngunit ang eksaktong kahulugan ay mas mahirap. Sa klasikal na teknikal na thermodynamics, tinukoy ang ganap na temperatura ng isang katawan. Ito ay humantong sa paglikha ng Kelvin scale. Ang pinakamababang temperatura para sa lahat ng katawan ay zero Kelvin (-273, 15°C). Ito ay absolute zero, ang konsepto na unang lumitaw noong 1702 salamat sa French physicist na si Guillaume Amonton.
Mas mahirap tukuyin ang init. Ang teknikal na thermodynamics ay binibigyang kahulugan ito bilang isang random na paglipat ng enerhiya mula sa system patungo sa panlabas na kapaligiran. Ito ay tumutugma sa kinetic energy ng mga molecule na gumagalaw at napapailalim sa mga random na epekto (Brownian motion). Ang ipinadalang enerhiya ay tinatawag na disordered sa microscopic level, kumpara sa maayos, na ginagawa sa pamamagitan ng trabaho sa macroscopic level.
State of matter
Ang estado ng bagay ay isang paglalarawan ng uri ng pisikal na istraktura na ipinapakita ng isang sangkap. Mayroon itong mga katangian na naglalarawan kung paano pinapanatili ng isang materyal ang istraktura nito. Mayroong limang estado ng bagay:
- gas;
- likido;
- solid body;
- plasma;
- superfluid (ang pinakabihirang).
Maraming substance ang maaaring lumipat sa pagitan ng gas, liquid at solid phase. Ang plasma ay isang espesyal na estado ng bagayparang kidlat.
Heat capacity
Ang Heat capacity (C) ay ang ratio ng pagbabago sa init (ΔQ, kung saan ang Greek character na Delta ay kumakatawan sa dami) sa pagbabago sa temperatura (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ipinakita niya ang kadalian ng pag-init ng substance. Ang isang mahusay na thermal conductor ay may mababang capacitance rating. Malakas na heat insulator na may mataas na kapasidad ng init.
Terminolohiya
Ang bawat agham ay may sariling natatanging bokabularyo. Kabilang sa mga pangunahing konsepto ng teknikal na thermodynamics ang:
- Ang paglipat ng init ay ang magkaparehong pagpapalitan ng temperatura sa pagitan ng dalawang substance.
- Microscopic approach - ang pag-aaral ng pag-uugali ng bawat atom at molekula (quantum mechanics).
- Macroscopic approach - pagmamasid sa pangkalahatang pag-uugali ng maraming particle.
- Thermodynamic system ay ang dami ng substance o lugar sa espasyo na pinili para sa pananaliksik.
- Environment - lahat ng external system.
- Conduction - inililipat ang init sa pamamagitan ng pinainit na solidong katawan.
- Convection - ang pinainit na mga particle ay nagbabalik ng init sa ibang substance.
- Radiation - ang init ay ipinapadala sa pamamagitan ng mga electromagnetic wave, gaya ng mula sa araw.
- Entropy - sa thermodynamics ay isang pisikal na dami na ginagamit upang makilala ang isang isothermal na proseso.
Higit pa tungkol sa agham
Ang interpretasyon ng thermodynamics bilang isang hiwalay na disiplina ng physics ay hindi ganap na tama. Nakakaapekto ito sa halos lahatmga lugar. Kung wala ang kakayahan ng system na gumamit ng panloob na enerhiya upang gumawa ng trabaho, ang mga pisiko ay walang pag-aaralan. Mayroon ding ilang napaka-kapaki-pakinabang na bahagi ng thermodynamics:
- Heat engineering. Pinag-aaralan nito ang dalawang posibilidad ng paglipat ng enerhiya: trabaho at init. Nauugnay sa pagtatasa ng paglipat ng enerhiya sa gumaganang substance ng makina.
- Cryophysics (cryogenics) - ang agham ng mababang temperatura. Sinasaliksik ang mga pisikal na katangian ng mga sangkap sa ilalim ng mga kondisyong nararanasan kahit sa pinakamalamig na rehiyon ng Earth. Ang isang halimbawa nito ay ang pag-aaral ng mga superfluid.
- Ang Hydrodynamics ay ang pag-aaral ng mga pisikal na katangian ng mga likido.
- Physics ng matataas na presyon. I-explore ang mga pisikal na katangian ng mga substance sa sobrang mataas na pressure system na nauugnay sa fluid dynamics.
- Ang Meteorology ay ang siyentipikong pag-aaral ng atmospera na nakatuon sa mga proseso ng lagay ng panahon at pagtataya.
- Plasma Physics - ang pag-aaral ng matter sa estado ng plasma.
Zero Law
Ang paksa at pamamaraan ng teknikal na thermodynamics ay mga eksperimentong obserbasyon na nakasulat sa anyo ng mga batas. Ang zeroth law ng thermodynamics ay nagsasaad na kapag ang dalawang katawan ay may parehong temperatura sa isang ikatlo, sila naman ay may parehong temperatura sa isa't isa. Halimbawa: ang isang bloke ng tanso ay dinadala sa isang thermometer hanggang sa maging pantay ang temperatura. Pagkatapos ito ay tinanggal. Ang pangalawang bloke ng tanso ay dinadala sa contact na may parehong thermometer. Kung walang pagbabago sa antas ng mercury, maaari nating sabihin na ang parehong mga bloke ay nasathermal equilibrium na may thermometer.
Unang Batas
Ang batas na ito ay nagsasaad na habang ang sistema ay sumasailalim sa pagbabago ng estado, ang enerhiya ay maaaring tumawid sa hangganan alinman bilang init o bilang trabaho. Ang bawat isa sa kanila ay maaaring maging positibo o negatibo. Ang netong pagbabago ng enerhiya ng isang sistema ay palaging katumbas ng netong enerhiya na tumatawid sa hangganan ng system. Ang huli ay maaaring panloob, kinetic o potensyal.
Ikalawang Batas
Ginagamit ito upang matukoy ang direksyon kung saan maaaring maganap ang isang partikular na proseso ng thermal. Ang batas na ito ng thermodynamics ay nagsasaad na imposibleng lumikha ng isang aparato na gumagana sa isang cycle at hindi gumagawa ng anumang epekto maliban sa paglilipat ng init mula sa isang katawan na may mas mababang temperatura patungo sa isang mas mainit na katawan. Minsan tinatawag itong batas ng entropy dahil ipinakilala nito ang mahalagang katangiang ito. Ang entropy ay maaaring isipin bilang isang sukatan kung gaano kalapit ang isang sistema sa equilibrium o kaguluhan.
Thermal process
Ang system ay sumasailalim sa isang thermodynamic na proseso kapag ang ilang uri ng pagbabago ng enerhiya ay naganap dito, kadalasang nauugnay sa pagbabago ng presyon, volume, temperatura. Mayroong ilang partikular na uri na may mga espesyal na katangian:
- adiabatic - walang palitan ng init sa system;
- isochoric - walang pagbabago sa volume;
- isobaric - walang pagbabago sa pressure;
- isothermal - walang pagbabago sa temperatura.
Reversibility
Ang isang nababagong proseso ay isa na, pagkatapos itong maganap, ay maaaringkinansela. Hindi ito nag-iiwan ng anumang pagbabago sa system o sa kapaligiran. Upang maging mababalik, ang sistema ay dapat nasa equilibrium. May mga kadahilanan na ginagawang hindi maibabalik ang proseso. Halimbawa, friction at runaway expansion.
Application
Maraming aspeto ng buhay ng modernong sangkatauhan ang binuo sa mga pundasyon ng heat engineering. Kabilang dito ang:
- Lahat ng sasakyan (mga kotse, motorsiklo, kariton, barko, eroplano, atbp.) ay gumagana batay sa ikalawang batas ng thermodynamics at Carnot cycle. Maaari silang gumamit ng gasoline o diesel engine, ngunit ang batas ay nananatiling pareho.
- Ang mga air at gas compressor, blower, fan ay gumagana sa iba't ibang thermodynamic cycle.
- Ginagamit ang palitan ng init sa mga evaporator, condenser, radiator, cooler, heater.
- Gumagana ang mga refrigerator, freezer, industrial refrigeration system, lahat ng uri ng air conditioning system at heat pump dahil sa pangalawang batas.
Kabilang din sa technical thermodynamics ang pag-aaral ng iba't ibang uri ng power plants: thermal, nuclear, hydroelectric, batay sa renewable energy sources (gaya ng solar, wind, geothermal), tides, waves at iba pa.
