Энергия мен энтропия арасындағы байланысты зерттеу - бұл техникалық термодинамика зерттейтін нәрсе. Ол өлшенетін макроскопиялық қасиеттерді (температура, қысым және көлем) энергиямен және оның жұмыс істеу қабілетімен байланыстыратын теориялардың тұтас жиынтығын қамтиды.
Кіріспе
Жылу және температура ұғымдары техникалық термодинамика үшін ең негізгі болып табылады. Оны температура мен оның өзгеруіне тәуелді барлық құбылыстар туралы ғылым деп атауға болады. Қазір оның бір бөлігі болып табылатын статистикалық физикада бұл материяның қазіргі түсінігі негізделген ұлы теориялардың бірі. Термодинамикалық жүйе белгілі бір массасы мен сәйкестігі бар заттың мөлшері ретінде анықталады. Оның сыртындағы барлық нәрсе - ол шекарамен бөлінген орта. Техникалық термодинамиканың қолданбаларына келесідей конструкциялар жатады:
- кондиционерлер мен тоңазытқыштар;
- автомобиль қозғалтқыштарындағы турбокомпрессорлар мен супер зарядтағыштар;
- электр станцияларындағы бу турбиналары;
- реактивтіұшақ қозғалтқыштары.
Жылу және температура
Әр адам температура ұғымы туралы интуитивті білімге ие. Дене температурасының көп немесе аз жоғары болуына байланысты ыстық немесе суық болады. Бірақ нақты анықтама қиынырақ. Классикалық техникалық термодинамикада дененің абсолютті температурасы анықталды. Ол Кельвин шкаласын құруға әкелді. Барлық денелер үшін ең төменгі температура нөл Кельвин (-273, 15°С). Бұл абсолютті нөл, оның тұжырымдамасы алғаш рет 1702 жылы француз физигі Гийом Амонтонның арқасында пайда болды.
Жылуды анықтау қиынырақ. Техникалық термодинамика оны энергияның жүйеден сыртқы ортаға кездейсоқ берілуі ретінде түсіндіреді. Ол қозғалатын және кездейсоқ әсерге ұшыраған молекулалардың кинетикалық энергиясына сәйкес келеді (Броундық қозғалыс). Берілген энергия макроскопиялық деңгейде жұмыс арқылы орындалатын реттілікке қарағанда микроскопиялық деңгейде ретсіз деп аталады.
Мәселе жағдайы
Зат күйі – зат көрсететін физикалық құрылым түрінің сипаттамасы. Оның материалдың құрылымын қалай сақтайтынын сипаттайтын қасиеттері бар. Заттың бес күйі бар:
- газ;
- сұйық;
- қатты дене;
- плазма;
- суперсұйықтық (ең сирек).
Көптеген заттар газ, сұйық және қатты фазалар арасында қозғала алады. Плазма – заттың ерекше күйінайзағай сияқты.
Жылу сыйымдылығы
Жылу сыйымдылығы (C) – жылу өзгерісінің (ΔQ, мұнда грекше Delta – мөлшерді білдіреді) температураның өзгеруіне (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ол затты қыздыру оңайлығын көрсетеді. Жақсы жылу өткізгіштің сыйымдылығы төмен. Жоғары жылу сыйымдылығы бар күшті жылу изоляторы.
Терминология
Әр ғылымның өзіне тән сөздік қоры бар. Техникалық термодинамиканың негізгі ұғымдарына мыналар жатады:
- Жылу алмасу – екі зат арасындағы температуралардың өзара алмасуы.
- Микроскопиялық тәсіл – әрбір атом мен молекуланың әрекетін зерттеу (кванттық механика).
- Макроскопиялық тәсіл – көптеген бөлшектердің жалпы әрекетін бақылау.
- Термодинамикалық жүйе – зерттеу үшін таңдалған кеңістіктегі зат немесе аумақ мөлшері.
- Қоршаған орта - барлық сыртқы жүйелер.
- Өткізгіштік - жылу қыздырылған қатты дене арқылы беріледі.
- Конвекция - қыздырылған бөлшектер жылуды басқа затқа қайтарады.
- Радиация - жылу электромагниттік толқындар арқылы беріледі, мысалы, күн.
- Энтропия - термодинамикада изотермиялық процесті сипаттау үшін қолданылатын физикалық шама.
Ғылым туралы толығырақ
Термодинамиканы физиканың жеке пәні ретінде түсіндіру мүлде дұрыс емес. Ол барлығына дерлік әсер етедіаймақтар. Жүйенің жұмыс істеу үшін ішкі энергияны пайдалану мүмкіндігі болмаса, физиктердің зерттейтін ештеңесі болмас еді. Сондай-ақ термодинамиканың өте пайдалы салалары бар:
- Жылу техникасы. Ол энергияны берудің екі мүмкіндігін зерттейді: жұмыс және жылу. Машинаның жұмыс затындағы энергияны тасымалдауды бағалаумен байланысты.
- Криофизика (криогеника) – төмен температуралар туралы ғылым. Заттардың физикалық қасиеттерін Жердің ең суық аймағында да болған жағдайларда зерттейді. Бұған мысал ретінде артық сұйықтықтарды зерттеу болып табылады.
- Гидродинамика – сұйықтардың физикалық қасиеттерін зерттейтін ғылым.
- Жоғары қысымдар физикасы. Сұйықтық динамикасына қатысты өте жоғары қысымды жүйелердегі заттардың физикалық қасиеттерін зерттейді.
- Метеорология – ауа-райы процестеріне және болжам жасауға бағытталған атмосфераны ғылыми зерттеу.
- Плазма физикасы – плазмалық күйдегі затты зерттеу.
Нөлдік заң
Техникалық термодинамиканың пәні мен әдісі заңдар түрінде жазылған тәжірибелік бақылаулар болып табылады. Термодинамиканың нөлдік заңы екі дененің үштен бірінің температурасы бірдей болса, олар өз кезегінде бір-бірімен бірдей температураға ие болатынын айтады. Мысалы: бір блок мыс термометрмен температура тең болғанша жанасады. Содан кейін ол жойылады. Мыстың екінші блогы сол термометрмен жанасады. Егер сынап деңгейінде өзгеріс болмаса, онда екі блокта да бар деп айта аламызтермометрмен термиялық тепе-теңдік.
Бірінші заң
Бұл заң жүйе күйінің өзгеруіне байланысты энергия шекараны жылу немесе жұмыс ретінде кесіп өтуі мүмкін екенін айтады. Олардың әрқайсысы оң немесе теріс болуы мүмкін. Жүйенің таза энергиясының өзгеруі әрқашан жүйенің шекарасын кесіп өтетін таза энергияға тең. Соңғысы ішкі, кинетикалық немесе потенциалды болуы мүмкін.
Екінші Заң
Ол белгілі бір жылу процесі жүруі мүмкін бағытты анықтау үшін қолданылады. Термодинамиканың бұл заңы циклде жұмыс істейтін және температурасы төмен денеден ыстық денеге жылуды беруден басқа ешқандай әсер етпейтін құрылғыны жасау мүмкін еместігін айтады. Оны кейде энтропия заңы деп те атайды, өйткені ол осы маңызды қасиетті енгізеді. Энтропияны жүйенің тепе-теңдікке немесе тәртіпсіздікке қаншалықты жақын екенін көрсететін өлшем ретінде қарастыруға болады.
Термиялық процесс
Жүйеде әдетте қысымның, көлемнің, температураның түрленуімен байланысты қандай да бір энергия өзгерісі орын алған кезде жүйе термодинамикалық процестен өтеді. Арнайы қасиеттері бар бірнеше арнайы түрлері бар:
- адиабаттық - жүйеде жылу алмасу жоқ;
- изохориялық - дыбыс деңгейі өзгермейді;
- изобарикалық - қысымда өзгеріс жоқ;
- изотермиялық - температура өзгермейді.
Қайтымдылық
Қайтарылатын процесс – ол орын алған соң болуы мүмкінжойылды. Ол жүйеде де, қоршаған ортада да өзгерістер қалдырмайды. Қайтымды болу үшін жүйе тепе-теңдікте болуы керек. Процесті қайтымсыз ететін факторлар бар. Мысалы, үйкеліс және қашып кеңею.
Қолданба
Қазіргі адамзат өмірінің көптеген аспектілері жылу техникасының негізіне салынған. Оларға мыналар жатады:
- Барлық көліктер (автомобильдер, мотоциклдер, арбалар, кемелер, ұшақтар, т.б.) термодинамиканың екінші бастамасы мен Карно циклі негізінде жұмыс істейді. Олар бензинді немесе дизельді қозғалтқышты пайдалана алады, бірақ заң өзгеріссіз қалады.
- Ауа және газ компрессорлары, үрлегіштер, желдеткіштер әртүрлі термодинамикалық циклдарда жұмыс істейді.
- Жылу алмасу буландырғыштарда, конденсаторларда, радиаторларда, салқындатқыштарда, жылытқыштарда қолданылады.
- Тоңазытқыштар, мұздатқыштар, өнеркәсіптік тоңазытқыштар, ауаны баптау жүйелерінің барлық түрлері және жылу сорғылары екінші заңға сәйкес жұмыс істейді.
Техникалық термодинамика сонымен қатар әр түрлі электр станцияларын зерттеуді қамтиды: жылу, атомдық, гидроэлектрлік, жаңартылатын энергия көздеріне негізделген (мысалы, күн, жел, геотермиялық), толқындар, толқындар және т.б.
