دراسة العلاقة بين الطاقة والإنتروبيا هي ما دراسات الديناميكا الحرارية التقنية. وهو يشمل مجموعة كاملة من النظريات التي تربط الخصائص العيانية القابلة للقياس (درجة الحرارة والضغط والحجم) بالطاقة وقدرتها على القيام بالعمل.
مقدمة
مفاهيم الحرارة ودرجة الحرارة هي الأكثر أهمية في الديناميكا الحرارية التقنية. يمكن أن يطلق عليه علم كل الظواهر التي تعتمد على درجة الحرارة وتغيراتها. في الفيزياء الإحصائية ، التي أصبحت الآن جزءًا منها ، تعد واحدة من النظريات العظيمة التي يعتمد عليها الفهم الحالي للمادة. يُعرَّف النظام الديناميكي الحراري بأنه كمية من مادة ذات كتلة وهوية ثابتة. كل ما هو خارج عنها هو البيئة التي تنفصل عنها بالحدود. تشمل تطبيقات الديناميكا الحرارية التقنية إنشاءات مثل:
- مكيفات و ثلاجات
- شواحن توربينية وشواحن فائقة في محركات السيارات ؛
- توربينات بخارية في محطات الطاقة ؛
- رد الفعلمحركات الطائرات.
الحرارة ودرجة الحرارة
كل شخص لديه معرفة بديهية لمفهوم درجة الحرارة. يكون الجسم ساخنًا أو باردًا ، اعتمادًا على ما إذا كانت درجة حرارته مرتفعة أكثر أو أقل. لكن التعريف الدقيق أكثر صعوبة. في الديناميكا الحرارية التقنية الكلاسيكية ، تم تحديد درجة الحرارة المطلقة للجسم. أدى إلى إنشاء مقياس كلفن. أدنى درجة حرارة لجميع الأجسام هي صفر كلفن (-273 ، 15 درجة مئوية). هذا هو الصفر المطلق ، ظهر مفهومه لأول مرة في عام 1702 بفضل الفيزيائي الفرنسي غيوم أمونتون.
يصعب تحديد الحرارة. تفسرها الديناميكا الحرارية التقنية على أنها نقل عشوائي للطاقة من النظام إلى البيئة الخارجية. إنه يتوافق مع الطاقة الحركية للجزيئات المتحركة والتعرض لتأثيرات عشوائية (الحركة البراونية). تسمى الطاقة المرسلة بالاضطراب على المستوى المجهري ، على عكس المنظمة ، ويتم إجراؤها من خلال العمل على المستوى العياني.
حالة المادة
حالة المادة هي وصف لنوع الهيكل المادي الذي تعرضه المادة. لها خصائص تصف كيف تحافظ المادة على هيكلها. هناك خمس حالات للمادة:
- غاز ؛
- سائل
- جسم صلب ؛
- بلازما ؛
- سائل فائق (الأندر).
يمكن أن تنتقل العديد من المواد بين المراحل الغازية والسائلة والصلبة. البلازما هي حالة خاصة للمادةمثل البرق
السعة الحرارية
السعة الحرارية (C) هي نسبة التغير في الحرارة (ΔQ ، حيث يرمز الحرف اليوناني Delta إلى الكمية) للتغيير في درجة الحرارة (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
تظهر سهولة تسخين المادة. الموصل الحراري الجيد له معدل سعة منخفض. عازل حراري قوي ذو سعة حرارية عالية
المصطلحات
لكل علم مفرداته الفريدة. تتضمن المفاهيم الأساسية للديناميكا الحرارية التقنية ما يلي:
- نقل الحرارة هو التبادل المتبادل لدرجات الحرارة بين مادتين.
- النهج المجهري - دراسة سلوك كل ذرة وجزيء (ميكانيكا الكم).
- النهج العياني - مراقبة السلوك العام للعديد من الجسيمات.
- النظام الديناميكي الحراري هو مقدار المادة أو المنطقة في الفضاء المختار للبحث.
- البيئة - جميع الأنظمة الخارجية.
- التوصيل - تنتقل الحرارة من خلال جسم صلب ساخن.
- الحمل الحراري - تعيد الجزيئات المسخنة الحرارة إلى مادة أخرى.
- الإشعاع - تنتقل الحرارة من خلال الموجات الكهرومغناطيسية ، مثل الشمس.
- الانتروبيا - في الديناميكا الحرارية هي كمية مادية تستخدم لوصف عملية متساوية الحرارة.
المزيد عن العلم
تفسير الديناميكا الحرارية كنظام منفصل للفيزياء ليس صحيحًا تمامًا. إنه يؤثر على كل شيء تقريبًاالمناطق. بدون قدرة النظام على استخدام الطاقة الداخلية للقيام بالعمل ، لن يكون لدى الفيزيائيين ما يدرسونه. هناك أيضًا بعض المجالات المفيدة جدًا للديناميكا الحرارية:
- الهندسة الحرارية. يدرس احتمالين لنقل الطاقة: العمل والحرارة. يرتبط بتقييم نقل الطاقة في مادة عمل الآلة.
- Cryophysics (علم درجات الحرارة المنخفضة) - علم درجات الحرارة المنخفضة. يستكشف الخصائص الفيزيائية للمواد في ظل الظروف التي تمر بها حتى في أبرد منطقة على وجه الأرض. مثال على ذلك دراسة السوائل الفائقة
- الديناميكا المائية هي دراسة الخصائص الفيزيائية للسوائل.
- فيزياء الضغوط العالية. يستكشف الخصائص الفيزيائية للمواد في أنظمة الضغط العالي للغاية المتعلقة بديناميات الموائع.
- الأرصاد هي الدراسة العلمية للغلاف الجوي التي تركز على عمليات الطقس والتنبؤ به.
- فيزياء البلازما - دراسة المادة في حالة البلازما.
صفر قانون
موضوع وطريقة الديناميكا الحرارية التقنية هي ملاحظات تجريبية مكتوبة في شكل قوانين. ينص القانون الصفري للديناميكا الحرارية على أنه عندما يكون لجسمان نفس درجة الحرارة مع ثلث ، فإنهما بدورهما لهما نفس درجة الحرارة مع بعضهما البعض. على سبيل المثال: كتلة واحدة من النحاس تتلامس مع مقياس حرارة حتى تتساوى درجة الحرارة. ثم يتم إزالته. يتم توصيل الكتلة الثانية من النحاس بنفس مقياس الحرارة. إذا لم يكن هناك تغيير في مستوى الزئبق ، فيمكننا القول إن كلا الكتلتين موجودتانتوازن حراري مع ميزان حرارة.
القانون الأول
ينص هذا القانون على أنه عندما يخضع النظام لتغير في الحالة ، يمكن للطاقة عبور الحدود إما كحرارة أو كعمل. كل واحد منهم يمكن أن يكون إيجابيا أو سلبيا. دائمًا ما يكون صافي تغير الطاقة في النظام مساويًا للطاقة الصافية التي تعبر حدود النظام. يمكن أن يكون الأخير داخليًا أو حركيًا أو محتملًا.
القانون الثاني
يتم استخدامه لتحديد الاتجاه الذي يمكن أن تحدث فيه عملية حرارية معينة. ينص قانون الديناميكا الحرارية هذا على أنه من المستحيل إنشاء جهاز يعمل في دورة ولا ينتج عنه أي تأثير بخلاف نقل الحرارة من جسم ذي درجة حرارة منخفضة إلى جسم أكثر سخونة. يطلق عليه أحيانًا قانون الانتروبيا لأنه يقدم هذه الخاصية المهمة. يمكن اعتبار الانتروبيا كمقياس لمدى قرب النظام من التوازن أو الاضطراب.
العملية الحرارية
يخضع النظام لعملية ديناميكية حرارية عندما يحدث نوع من تغير الطاقة فيه ، وعادة ما يرتبط بتحويل الضغط والحجم ودرجة الحرارة. هناك عدة أنواع محددة بخصائص خاصة:
- ثابت الحرارة - لا يوجد تبادل حراري في النظام ؛
- isochoric - لا تغيير في الحجم ؛
- متساوي الضغط - لا تغيير في الضغط ؛
- متساوي - لا تغيير في درجة الحرارة.
انعكاس
العملية القابلة للعكس هي العملية التي يمكن أن تتم بعد حدوثهاألغيت. لا تترك أي تغييرات سواء في النظام أو في البيئة. لكي يكون النظام قابلاً للعكس ، يجب أن يكون في حالة توازن. هناك عوامل تجعل العملية لا رجوع فيها. على سبيل المثال ، الاحتكاك والتوسع الجامح.
التطبيق
العديد من جوانب حياة الإنسان الحديث مبنية على أسس الهندسة الحرارية. وتشمل هذه:
- جميع المركبات (سيارات ، دراجات نارية ، عربات ، سفن ، طائرات ، إلخ) تعمل على أساس القانون الثاني للديناميكا الحرارية ودورة كارنو. يمكنهم استخدام محرك بنزين أو ديزل ، لكن القانون يظل كما هو.
- ضواغط الهواء والغاز ، المنافيخ ، المراوح تعمل على دورات ديناميكية حرارية مختلفة.
- يستخدم التبادل الحراري في المبخرات ، المكثفات ، المشعات ، المبردات ، السخانات.
- الثلاجات والمجمدات وأنظمة التبريد الصناعي وجميع أنواع أنظمة التكييف والمضخات الحرارية تعمل وفق القانون الثاني.
تشمل الديناميكا الحرارية الفنية أيضًا دراسة أنواع مختلفة من محطات الطاقة: الحرارية والنووية والكهربائية المائية ، بناءً على مصادر الطاقة المتجددة (مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية) والمد والجزر والأمواج وغيرها.
