חקר הקשר בין אנרגיה ואנטרופיה הוא מה שחוקר תרמודינמיקה טכנית. הוא מקיף מערך שלם של תיאוריות המתייחסות למאפיינים מקרוסקופיים הניתנים למדידה (טמפרטורה, לחץ ונפח) לאנרגיה וליכולתה לבצע עבודה.
מבוא
המושגים של חום וטמפרטורה הם המושגים הבסיסיים ביותר לתרמודינמיקה טכנית. אפשר לקרוא לזה מדע של כל התופעות התלויות בטמפרטורה ובשינויים שלה. בפיזיקה הסטטיסטית, שהיא חלק ממנה כיום, היא אחת התיאוריות הגדולות שעליהן מבוססת ההבנה הנוכחית של החומר. מערכת תרמודינמית מוגדרת ככמות חומר בעלת מסה וזהות קבועה. כל מה שמחוץ לו הוא הסביבה שממנה הוא מופרד בגבולות. יישומים של תרמודינמיקה טכנית כוללים קונסטרוקציות כגון:
- מזגנים ומקררים;
- מגדשי טורבו ומגדשי-על במנועי רכב;
- טורבינות קיטור בתחנות כוח;
- reactiveמנועי מטוסים.
חום וטמפרטורה
לכל אדם יש ידע אינטואיטיבי במושג הטמפרטורה. הגוף חם או קר, תלוי אם הטמפרטורה שלו גבוהה יותר או פחות. אבל ההגדרה המדויקת קשה יותר. בתרמודינמיקה טכנית קלאסית, הוגדרה הטמפרטורה המוחלטת של גוף. זה הוביל ליצירת סולם קלווין. הטמפרטורה המינימלית עבור כל הגופים היא אפס קלווין (-273, 15 מעלות צלזיוס). זהו האפס המוחלט, שהמושג שלו הופיע לראשונה ב-1702 הודות לפיזיקאי הצרפתי גיום אמונטון.
חום קשה יותר להגדרה. התרמודינמיקה הטכנית מפרשת זאת כהעברה אקראית של אנרגיה מהמערכת לסביבה החיצונית. זה מתאים לאנרגיה הקינטית של מולקולות הנעות והנתונות להשפעות אקראיות (תנועה בראון). האנרגיה המועברת נקראת לא מסודרת ברמה המיקרוסקופית, להבדיל ממסודרת, הנעשית באמצעות עבודה ברמה המקרוסקופית.
מצב העניינים
מצב של חומר הוא תיאור של סוג המבנה הפיזי שחומר מציג. יש לו תכונות המתארות כיצד חומר שומר על המבנה שלו. ישנם חמישה מצבי חומר:
- gas;
- נוזל;
- גוף מוצק;
- plasma;
- סופרנוזל (הנדיר ביותר).
חומרים רבים יכולים לנוע בין פאזות גז, נוזל ומוצק. פלזמה היא מצב מיוחד של חומרכמו ברק.
קיבולת חום
קיבולת החום (C) היא היחס בין השינוי בחום (ΔQ, כאשר התו היווני Delta מייצג כמות) לשינוי בטמפרטורה (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
היא מראה את הקלות שבה החומר מחומם. למוליך תרמי טוב יש דירוג קיבול נמוך. מבודד חום חזק עם קיבולת חום גבוהה.
טרמינולוגיה
לכל מדע יש אוצר מילים ייחודי משלו. המושגים הבסיסיים של תרמודינמיקה טכנית כוללים:
- העברת חום היא החלפה הדדית של טמפרטורות בין שני חומרים.
- גישה מיקרוסקופית - חקר ההתנהגות של כל אטום ומולקולה (מכניקת הקוונטים).
- גישה מקרוסקופית - התבוננות בהתנהגות הכללית של חלקיקים רבים.
- מערכת תרמודינמית היא כמות החומר או השטח בחלל שנבחר למחקר.
- Environment - כל המערכות החיצוניות.
- הולכה - חום מועבר דרך גוף מוצק מחומם.
- הסעה - חלקיקים מחוממים מחזירים חום לחומר אחר.
- קרינה - חום מועבר דרך גלים אלקטרומגנטיים, כמו למשל מהשמש.
- אנטרופיה - בתרמודינמיקה היא כמות פיזיקלית המשמשת לאפיון תהליך איזותרמי.
עוד על מדע
הפירוש של התרמודינמיקה כדיסציפלינה נפרדת של הפיזיקה אינה נכונה לחלוטין. זה משפיע כמעט על הכלאזורים. ללא היכולת של המערכת להשתמש באנרגיה פנימית לביצוע עבודה, לפיזיקאים לא יהיה מה ללמוד. יש גם כמה תחומים שימושיים מאוד בתרמודינמיקה:
- הנדסת חום. הוא בוחן שתי אפשרויות להעברת אנרגיה: עבודה וחום. קשור להערכת העברת אנרגיה בחומר העבודה של המכונה.
- Cryophysics (קריוגניקה) - מדע הטמפרטורות הנמוכות. חוקר את התכונות הפיזיקליות של חומרים בתנאים שחווים אפילו באזור הקר ביותר של כדור הארץ. דוגמה לכך היא חקר נוזלי העל.
- הידרודינמיקה היא חקר התכונות הפיזיקליות של נוזלים.
- פיזיקה של לחצים גבוהים. חוקר את התכונות הפיזיקליות של חומרים במערכות לחץ גבוה במיוחד הקשורות לדינמיקת נוזלים.
- מטאורולוגיה הוא המחקר המדעי של האטמוספירה המתמקד בתהליכי מזג האוויר ובחיזוי.
- Plasma Physics - חקר החומר במצב הפלזמה.
חוק האפס
הנושא והשיטה של תרמודינמיקה טכנית הם תצפיות ניסיוניות שנכתבו בצורה של חוקים. החוק האפסי של התרמודינמיקה קובע שכאשר לשני גופים יש אותה טמפרטורה עם שלישי, יש להם בתורם אותה טמפרטורה זה עם זה. לדוגמא: גוש נחושת אחד מביא במגע עם מדחום עד שהטמפרטורה שווה. לאחר מכן הוא מוסר. את גוש הנחושת השני מביאים במגע עם אותו מדחום. אם אין שינוי ברמת הכספית, אז אנחנו יכולים לומר ששני הבלוקים נמצאים בפניםשיווי משקל תרמי עם מדחום.
חוק ראשון
חוק זה קובע שככל שהמערכת עוברת שינוי מצב, אנרגיה יכולה לחצות את הגבול כחום או כעבודה. כל אחד מהם יכול להיות חיובי או שלילי. שינוי האנרגיה נטו של מערכת שווה תמיד לאנרגיה נטו שחוצה את גבול המערכת. האחרון יכול להיות פנימי, קינטי או פוטנציאלי.
חוק שני
הוא משמש כדי לקבוע את הכיוון שבו תהליך תרמי מסוים יכול להתרחש. חוק התרמודינמיקה הזה קובע שאי אפשר ליצור מכשיר שפועל במחזוריות ולא מייצר שום אפקט מלבד העברת חום מגוף עם טמפרטורה נמוכה יותר לגוף חם יותר. זה נקרא לפעמים חוק האנטרופיה מכיוון שהוא מציג את המאפיין החשוב הזה. ניתן להתייחס לאנטרופיה כמדד למידת קרובה של מערכת לשיווי משקל או אי-סדר.
תהליך תרמי
המערכת עוברת תהליך תרמודינמי כאשר מתרחש בה שינוי אנרגיה כלשהו, הקשור בדרך כלל לשינוי של לחץ, נפח, טמפרטורה. ישנם מספר סוגים ספציפיים עם מאפיינים מיוחדים:
- adiabatic - אין חילופי חום במערכת;
- isochoric - ללא שינוי בנפח;
- isobaric - ללא שינוי בלחץ;
- isothermal - ללא שינוי בטמפרטורה.
הפיכות
תהליך הפיך הוא תהליך שיכול להיות, לאחר שהוא התרחשמבוטל. זה לא משאיר שינויים לא במערכת ולא בסביבה. כדי להיות הפיך, המערכת חייבת להיות בשיווי משקל. ישנם גורמים שהופכים את התהליך לבלתי הפיך. לדוגמה, חיכוך והתרחבות בורחת.
Application
היבטים רבים של חייה של האנושות המודרנית בנויים על היסודות של הנדסת חום. אלה כוללים:
- כל כלי הרכב (מכוניות, אופנועים, עגלות, ספינות, מטוסים וכו') פועלים על בסיס החוק השני של התרמודינמיקה ומחזור קרנו. הם יכולים להשתמש במנוע בנזין או דיזל, אבל החוק נשאר זהה.
- מדחסי אוויר וגז, מפוחים, מאווררים פועלים במחזורים תרמודינמיים שונים.
- החלפת חום משמשת במאיידים, מעבים, רדיאטורים, מצננים, תנורי חימום.
- מקררים, מקפיאים, מערכות קירור תעשייתיות, כל סוגי מערכות מיזוג אוויר ומשאבות חום פועלים בהתאם לחוק השני.
תרמודינמיקה טכנית כוללת גם חקר סוגים שונים של תחנות כוח: תרמיות, גרעיניות, הידרואלקטריות, המבוססות על מקורות אנרגיה מתחדשים (כגון שמש, רוח, גיאותרמית), גאות ושפל, גלים ועוד.
