Studování vztahu mezi energií a entropií je to, co studuje technická termodynamika. Zahrnuje celou řadu teorií, které spojují měřitelné makroskopické vlastnosti (teplota, tlak a objem) s energií a její schopností konat práci.
Úvod
Pojmy tepla a teploty jsou pro technickou termodynamiku nejzákladnější. Lze ji nazvat naukou o všech jevech, které jsou závislé na teplotě a jejích změnách. Ve statistické fyzice, jejíž je nyní součástí, jde o jednu z velkých teorií, na kterých je založeno současné chápání hmoty. Termodynamický systém je definován jako množství hmoty s pevnou hmotností a identitou. Vše, co je pro něj vnější, je prostředí, od kterého je odděleno hranicemi. Aplikace technické termodynamiky zahrnují konstrukce jako:
- klimatizace a chladničky;
- turbodmychadla a kompresory v automobilových motorech;
- parní turbíny v elektrárnách;
- reaktivníletecké motory.
Teplo a teplota
Každý člověk intuitivně zná pojem teploty. Tělo je horké nebo studené, podle toho, zda je jeho teplota více či méně vysoká. Přesná definice je ale složitější. V klasické technické termodynamice byla definována absolutní teplota tělesa. To vedlo k vytvoření Kelvinovy stupnice. Minimální teplota pro všechna tělesa je nula Kelvinů (-273, 15°C). To je absolutní nula, jejíž koncept se poprvé objevil v roce 1702 díky francouzskému fyzikovi Guillaume Amontonovi.
Teplo je těžší definovat. Technická termodynamika jej interpretuje jako náhodný přenos energie ze systému do vnějšího prostředí. Odpovídá kinetické energii molekul, které se pohybují a jsou vystaveny náhodným nárazům (Brownův pohyb). Přenášená energie se nazývá neuspořádaná na mikroskopické úrovni, na rozdíl od uspořádané, prováděné prací na makroskopické úrovni.
Stav hmoty
Stav hmoty je popis typu fyzikální struktury, kterou látka vykazuje. Má vlastnosti, které popisují, jak si materiál zachovává svou strukturu. Existuje pět stavů hmoty:
- plyn;
- liquid;
- pevné tělo;
- plazma;
- superfluidní (nejvzácnější).
Mnoho látek se může pohybovat mezi plynnou, kapalnou a pevnou fází. Plazma je zvláštní stav hmotyjako blesk.
Tepelný výkon
Tepelná kapacita (C) je poměr změny tepla (ΔQ, kde řecký znak Delta znamená množství) ke změně teploty (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ukazuje snadnost, s jakou se látka zahřívá. Dobrý tepelný vodič má nízkou kapacitu. Silný tepelný izolátor s vysokou tepelnou kapacitou.
Terminologie
Každá věda má svůj vlastní jedinečný slovník. Mezi základní pojmy technické termodynamiky patří:
- Přenos tepla je vzájemná výměna teplot mezi dvěma látkami.
- Mikroskopický přístup – studium chování každého atomu a molekuly (kvantová mechanika).
- Makroskopický přístup – pozorování obecného chování mnoha částic.
- Termodynamický systém je množství látky nebo oblasti v prostoru vybrané pro výzkum.
- Prostředí – všechny externí systémy.
- Vedení – teplo se přenáší přes zahřáté pevné těleso.
- Konvekce – zahřáté částice vracejí teplo jiné látce.
- Záření – teplo se přenáší prostřednictvím elektromagnetických vln, například ze slunce.
- Entropie – v termodynamice je fyzikální veličina používaná k charakterizaci izotermického procesu.
Více o vědě
Výklad termodynamiky jako samostatné disciplíny fyziky není zcela správný. Ovlivňuje téměř všeoblasti. Bez schopnosti systému využívat vnitřní energii k práci by fyzici neměli co studovat. Existuje také několik velmi užitečných oblastí termodynamiky:
- Tepelné inženýrství. Studuje dvě možnosti přenosu energie: práci a teplo. Souvisí s hodnocením přenosu energie v pracovní látce stroje.
- Kryofyzika (kryogenika) – věda o nízkých teplotách. Zkoumá fyzikální vlastnosti látek za podmínek zažitých i v nejchladnějších oblastech Země. Příkladem toho je studium supratekutých látek.
- Hydrodynamika je studium fyzikálních vlastností kapalin.
- Fyzika vysokých tlaků. Zkoumá fyzikální vlastnosti látek v extrémně vysokotlakých systémech souvisejících s dynamikou tekutin.
- Meteorologie je vědecká studie atmosféry, která se zaměřuje na procesy počasí a předpovědi.
- Fyzika plazmatu – studium hmoty v plazmovém stavu.
Zákon nuly
Předmětem a metodou technické termodynamiky jsou experimentální pozorování psaná ve formě zákonů. Nultý termodynamický zákon říká, že když dvě tělesa mají stejnou teplotu s třetím, mají zase stejnou teplotu navzájem. Například: jeden blok mědi se přivede do kontaktu s teploměrem, dokud se teplota nevyrovná. Poté se odstraní. Druhý měděný blok se přivede do kontaktu se stejným teploměrem. Pokud nedojde ke změně hladiny rtuti, pak můžeme říci, že oba bloky jsou intepelná rovnováha pomocí teploměru.
První zákon
Tento zákon říká, že když systém prochází změnou stavu, energie může překročit hranici buď jako teplo, nebo jako práce. Každý z nich může být pozitivní nebo negativní. Změna čisté energie systému se vždy rovná čisté energii, která překročí hranici systému. Ten může být vnitřní, kinetický nebo potenciální.
Druhý zákon
Používá se k určení směru, kterým může probíhat určitý tepelný proces. Tento zákon termodynamiky říká, že je nemožné vytvořit zařízení, které pracuje v cyklu a nevyvolává jiný efekt než přenos tepla z tělesa s nižší teplotou do teplejšího tělesa. Někdy se mu říká zákon entropie, protože zavádí tuto důležitou vlastnost. Entropii lze považovat za měřítko toho, jak blízko je systém k rovnováze nebo nepořádku.
Tepelný proces
Systém prochází termodynamickým procesem, když v něm dojde k nějaké změně energie, obvykle spojené s přeměnou tlaku, objemu, teploty. Existuje několik specifických typů se speciálními vlastnostmi:
- adiabatický – žádná výměna tepla v systému;
- izochorické – žádná změna hlasitosti;
- izobarické – žádná změna tlaku;
- izotermický – žádná změna teploty.
Vratnost
Reverzibilní proces je takový, který po jeho uskutečnění může býtzrušeno. Nezanechává žádné změny ani v systému, ani v prostředí. Aby byl systém reverzibilní, musí být v rovnováze. Existují faktory, které činí proces nevratným. Například tření a nekontrolovaná expanze.
Aplikace
Mnoho aspektů života moderního lidstva je postaveno na základech tepelného inženýrství. Patří mezi ně:
- Všechna vozidla (auta, motocykly, vozíky, lodě, letadla atd.) fungují na základě druhého zákona termodynamiky a Carnotova cyklu. Mohou používat benzínový nebo naftový motor, ale zákon zůstává stejný.
- Vzduchové a plynové kompresory, dmychadla, ventilátory pracují v různých termodynamických cyklech.
- Výměna tepla se používá ve výparnících, kondenzátorech, radiátorech, chladičích, ohřívačích.
- Chladničky, mrazničky, průmyslové chladicí systémy, všechny typy klimatizačních systémů a tepelná čerpadla fungují podle druhého zákona.
Technická termodynamika také zahrnuje studium různých typů elektráren: tepelné, jaderné, vodní, založené na obnovitelných zdrojích energie (jako je sluneční, větrná, geotermální), příliv a odliv, vlny a další.
