Lo studio della relazione tra energia ed entropia è ciò che studia la termodinamica tecnica. Comprende un'intera serie di teorie che mettono in relazione proprietà macroscopiche misurabili (temperatura, pressione e volume) all'energia e alla sua capacità di svolgere il lavoro.
Introduzione
I concetti di calore e temperatura sono i più fondamentali per la termodinamica tecnica. Può essere definita la scienza di tutti i fenomeni che dipendono dalla temperatura e dai suoi cambiamenti. Nella fisica statistica, di cui ora fa parte, è una delle grandi teorie su cui si basa l'attuale comprensione della materia. Un sistema termodinamico è definito come una quantità di materia di massa e identità fisse. Tutto ciò che gli è esterno è l'ambiente da cui è separato da confini. Le applicazioni della termodinamica tecnica includono costruzioni come:
- condizionatori e frigoriferi;
- Turbocompressori e compressori nei motori automobilistici;
- turbine a vapore nelle centrali elettriche;
- reattivomotori aeronautici.
Calore e temperatura
Ogni persona ha una conoscenza intuitiva del concetto di temperatura. Il corpo è caldo o freddo, a seconda che la sua temperatura sia più o meno alta. Ma la definizione esatta è più difficile. Nella termodinamica tecnica classica si definiva la temperatura assoluta di un corpo. Ha portato alla creazione della scala Kelvin. La temperatura minima per tutti i corpi è zero Kelvin (-273, 15°C). Questo è lo zero assoluto, il cui concetto apparve per la prima volta nel 1702 grazie al fisico francese Guillaume Amonton.
Il calore è più difficile da definire. La termodinamica tecnica lo interpreta come un trasferimento casuale di energia dal sistema all'ambiente esterno. Corrisponde all'energia cinetica delle molecole in movimento e soggette a impatti casuali (moto browniano). L'energia trasmessa è chiamata disordinata a livello microscopico, in contrapposizione a ordinata, compiuta attraverso il lavoro a livello macroscopico.
Stato della materia
Uno stato della materia è una descrizione del tipo di struttura fisica che una sostanza mostra. Ha proprietà che descrivono come un materiale mantiene la sua struttura. Ci sono cinque stati della materia:
- gas;
- liquido;
- corpo solido;
- plasma;
- superfluido (il più raro).
Molte sostanze possono spostarsi tra fasi gassose, liquide e solide. Il plasma è uno stato speciale della materiacome un fulmine.
Capacità termica
La capacità termica (C) è il rapporto tra la variazione di calore (ΔQ, dove il carattere greco Delta sta per quantità) e la variazione di temperatura (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Mostra la facilità con cui la sostanza viene riscaldata. Un buon conduttore termico ha una bassa capacità. Forte isolante termico con elevata capacità termica.
Terminologia
Ogni scienza ha il suo vocabolario unico. I concetti di base della termodinamica tecnica includono:
- Il trasferimento di calore è lo scambio reciproco di temperature tra due sostanze.
- Approccio microscopico - lo studio del comportamento di ogni atomo e molecola (meccanica quantistica).
- Approccio macroscopico - osservazione del comportamento generale di molte particelle.
- Il sistema termodinamico è la quantità di sostanza o area nello spazio scelta per la ricerca.
- Ambiente - tutti i sistemi esterni.
- Conduzione - il calore viene trasferito attraverso un corpo solido riscaldato.
- Convezione: le particelle riscaldate restituiscono calore a un' altra sostanza.
- Radiazioni: il calore viene trasmesso attraverso le onde elettromagnetiche, ad esempio dal sole.
- Entropia - in termodinamica è una grandezza fisica usata per caratterizzare un processo isotermico.
Ulteriori informazioni sulla scienza
L'interpretazione della termodinamica come disciplina separata della fisica non è del tutto corretta. Colpisce quasi tuttole zone. Senza la capacità del sistema di utilizzare l'energia interna per svolgere il lavoro, i fisici non avrebbero nulla da studiare. Ci sono anche alcune aree molto utili della termodinamica:
- Ingegneria del calore. Studia due possibilità di trasferimento di energia: lavoro e calore. Associato alla valutazione del trasferimento di energia nella sostanza di lavoro della macchina.
- Criofisica (criogenia) - la scienza delle basse temperature. Esplora le proprietà fisiche delle sostanze in condizioni sperimentate anche nelle regioni più fredde della Terra. Un esempio è lo studio dei superfluidi.
- L'idrodinamica è lo studio delle proprietà fisiche dei liquidi.
- Fisica delle alte pressioni. Esplora le proprietà fisiche delle sostanze in sistemi ad altissima pressione relativi alla fluidodinamica.
- La meteorologia è lo studio scientifico dell'atmosfera che si concentra sui processi e le previsioni meteorologiche.
- Fisica del plasma - lo studio della materia allo stato plasmatico.
Legge zero
L'argomento e il metodo della termodinamica tecnica sono osservazioni sperimentali scritte sotto forma di leggi. La legge zero della termodinamica afferma che quando due corpi hanno la stessa temperatura con un terzo, a loro volta hanno la stessa temperatura l'uno con l' altro. Ad esempio: un blocco di rame viene portato a contatto con un termometro fino a quando la temperatura non è uguale. Quindi viene rimosso. Il secondo blocco di rame viene portato a contatto con lo stesso termometro. Se non ci sono cambiamenti nel livello di mercurio, allora possiamo dire che entrambi i blocchi sono dentroequilibrio termico con un termometro.
Prima legge
Questa legge afferma che quando il sistema subisce un cambiamento di stato, l'energia può oltrepassare il confine sia come calore che come lavoro. Ognuno di essi può essere positivo o negativo. La variazione netta di energia di un sistema è sempre uguale all'energia netta che attraversa il confine del sistema. Quest'ultimo può essere interno, cinetico o potenziale.
Seconda legge
È usato per determinare la direzione in cui può aver luogo un particolare processo termico. Questa legge della termodinamica afferma che è impossibile creare un dispositivo che funzioni in un ciclo e non produca alcun effetto se non quello di trasferire calore da un corpo con una temperatura più bassa a un corpo più caldo. A volte è chiamata legge dell'entropia perché introduce questa importante proprietà. L'entropia può essere considerata come una misura di quanto un sistema sia vicino all'equilibrio o al disordine.
Processo termico
Il sistema subisce un processo termodinamico quando si verifica un qualche tipo di cambiamento di energia, solitamente associato alla trasformazione di pressione, volume, temperatura. Esistono diversi tipi specifici con proprietà speciali:
- adiabatico - nessuno scambio termico nel sistema;
- isocorico - nessun cambiamento di volume;
- isobarico - nessun cambiamento di pressione;
- isotermico - nessuna variazione di temperatura.
Reversibilità
Un processo reversibile è quello che, dopo che ha avuto luogo, può essereannullato. Non lascia alcun cambiamento né nel sistema né nell'ambiente. Per essere reversibile, il sistema deve essere in equilibrio. Ci sono fattori che rendono il processo irreversibile. Ad esempio, attrito ed espansione incontrollata.
Applicazione
Molti aspetti della vita dell'umanità moderna sono costruiti sulle basi dell'ingegneria del calore. Questi includono:
- Tutti i veicoli (auto, moto, carrelli, navi, aerei, ecc.) funzionano sulla base della seconda legge della termodinamica e del ciclo di Carnot. Possono utilizzare un motore a benzina o diesel, ma la legge rimane la stessa.
- Compressori aria e gas, ventilatori, ventilatori funzionano con cicli termodinamici diversi.
- Lo scambio di calore viene utilizzato in evaporatori, condensatori, radiatori, refrigeratori, riscaldatori.
- Frigoriferi, congelatori, impianti di refrigerazione industriale, tutti i tipi di impianti di condizionamento e pompe di calore funzionano a causa della seconda legge.
La termodinamica tecnica comprende anche lo studio di vari tipi di centrali elettriche: termiche, nucleari, idroelettriche, basate su fonti di energia rinnovabile (come solare, eolica, geotermica), maree, onde e altre.
