Θερμοδυναμικές Εφαρμογές

Η επιστήμη της σύνδεσης μεταξύ θερμότητας, εργασίας και ιδιοτήτων των ουσιών είναι γνωστή ως θερμοδυναμική. Επειδή η θερμότητα και το έργο συνδέονται άρρηκτα με ενέργεια, η θερμοδυναμική ορίζεται ως η μελέτη της ενέργειας. Δεδομένου ότι η ενέργεια είναι ένα τόσο σημαντικό και απαραίτητο συστατικό της ζωής μας, όλοι πρέπει να κατανοήσουμε τη θερμοδυναμική. Επιπλέον, για να εξασκηθούν αποτελεσματικά στη μηχανική, οι μηχανικοί και όσοι επιθυμούν να γίνουν μηχανικοί πρέπει να γνωρίζουν τις θεμελιώδεις αρχές καθώς και τις εφαρμογές της θερμοδυναμικής.

Οι Θερμοδυναμικοί Νόμοι είναι ένα άθροισμα και η ουσία των ανθρώπινων αλληλεπιδράσεων με τη φύση. Ενώ ο Νόμος Μηδενός θέτει τα θεμέλια για τη μέτρηση της θερμοκρασίας, ο Πρώτος και ο Δεύτερος Νόμος καθορίζουν τις δύο ιδιότητες της ενέργειας και της εντροπίας, καθώς και τη διατήρηση και την υποβάθμιση της ενέργειας.

Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής

Όταν ένα σώμα «Α» βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με ένα άλλο σώμα «β» και με ένα σώμα «Γ» χωριστά, τότε τα σώματα «Β» και «Γ» βρίσκονται επίσης σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής ορίζεται από αυτή τη δήλωση. Ο νόμος βασίζεται στη μέτρηση της θερμοκρασίας.

Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής υποδεικνύει ότι η θερμοκρασία είναι μια σημαντική μέτρηση αφού προβλέπει εάν η θερμότητα θα κινηθεί ή όχι μεταξύ των αντικειμένων. Ανεξάρτητα από το πώς αλληλεπιδρούν τα στοιχεία, αυτό είναι αλήθεια. Η θερμότητα μπορεί να ταξιδέψει ανάμεσα σε δύο πράγματα ακόμα κι αν δεν αγγίζονται φυσικά, σύμφωνα με τον μηχανισμό ακτινοβολίας μετάδοσης θερμότητας. Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι δεν θα υπάρξει ροή θερμότητας εάν τα συστήματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία.

Εφαρμογές του Μηδενικού Νόμου της Θερμοδυναμικής

Ο νόμος είναι σημαντικός για τη μαθηματική διατύπωση της θερμοδυναμικής, ή, για να το θέσω αλλιώς, για τον ορισμό του μαθηματικού ορισμού της θερμοκρασίας. Η πιο κοινή εφαρμογή αυτής της έννοιας είναι η σύγκριση των θερμοκρασιών διαφορετικών πραγμάτων.

Αν θέλουμε να μετρήσουμε με ακρίβεια τη θερμοκρασία, θα χρειαστούμε ένα σώμα αναφοράς και μια ιδιότητα αυτού του σώματος που αλλάζει με τη θερμοκρασία. Η αλλαγή σε αυτό το χαρακτηριστικό θα μπορούσε να ερμηνευτεί ως αλλαγή θερμοκρασίας. Το επιλεγμένο χαρακτηριστικό αναφέρεται ως θερμοδυναμική ιδιότητα.

Τα θερμόμετρα είναι η πιο διαδεδομένη εφαρμογή του μηδενικού νόμου της θερμοδυναμικής. Χρησιμοποιώντας ένα κοινό θερμόμετρο με υδράργυρο σε ένα σωλήνα, μπορούμε να παρακολουθήσουμε τον μηδενικό νόμο σε λειτουργία. Ακριβώς επειδή η περιοχή του σωλήνα παραμένει σταθερή καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, ο υδράργυρος διαστέλλεται. Το ύψος έχει αυξηθεί ως αποτέλεσμα αυτής της εξέλιξης. Τώρα, η διακύμανση στο ύψος της ετικέτας υδραργύρου υποδεικνύει αλλαγές θερμοκρασίας και, στην πραγματικότητα, μας χρησιμεύει στη μέτρησή της.

Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

Η συνολική ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος είναι σταθερή, σύμφωνα με τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο. Η ενέργεια μπορεί να μεταβληθεί σε διάφορες μορφές, αλλά δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί.

Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, μέρος της θερμότητας που παρέχεται στο σύστημα χρησιμοποιείται για την αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας, ενώ το υπόλοιπο χρησιμοποιείται από το σύστημα για την εκτέλεση εργασιών. Μαθηματικά,

ΔQ=ΔU+ΔW 

ΔQ = Παρέχεται θερμότητα 

ΔW=Έργο που έγινε

ΔU =Αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια

Υπάρχει μια καθαρή μεταφορά θερμότητας στο σύστημα εάν το Q είναι θετικό, και υπάρχει δουλειά που γίνεται από το σύστημα εάν το W είναι θετικό. Ως αποτέλεσμα, το θετικό Q δίνει ενέργεια στο σύστημα ενώ το θετικό W την εξαντλεί.

Εφαρμογές του Πρώτου Νόμου της Θερμοδυναμικής

• Ισοθερμική διαδικασία: Κατά τη διάρκεια μιας ισοθερμικής λειτουργίας, η θερμοκρασία ενός ιδανικού αερίου παραμένει σταθερή. Αυτό σημαίνει ότι η θερμότητα του συστήματος χρησιμοποιείται για να λειτουργεί ενάντια στο περιβάλλον. Λοιπόν,

ΔQ=ΔU+ΔW 

ΔQ=W 

ΔQ = Παρέχεται θερμότητα 

ΔW=Έργο που έγινε

ΔU =Αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια

• Διαδικασία τήξης: Η εσωτερική ενέργεια ενός στερεού αυξάνεται όταν λιώνει σε υγρό. Έστω m η μάζα του υγρού και L η λανθάνουσα θερμότητα του στερεού. dQ =mL είναι η ποσότητα θερμότητας που απορροφάται από το σύστημα.

Αφήστε να συμβεί μικρή διαστολή, ∆V=0

dW=P∆V=0 

Επομένως,

ΔQ=ΔU+ΔW 

ΔU=mL 

Ως αποτέλεσμα, κατά τη διαδικασία τήξης, αυξάνεται η εσωτερική ενέργεια.

• Θερμικές μηχανές: Η πιο κοινή πρακτική εφαρμογή του Πρώτου Νόμου είναι η θερμική μηχανή. Οι θερμικές μηχανές μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια και αντίστροφα. Τα ανοιχτά συστήματα αποτελούν τη συντριπτική πλειοψηφία των θερμικών μηχανών. Η βασική ιδέα μιας θερμικής μηχανής βασίζεται στις σχέσεις μεταξύ θερμότητας, όγκου και πίεσης ενός ρευστού εργασίας. Αυτό το ρευστό είναι γενικά αέριο, ωστόσο σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να αλλάξει από αέριο σε υγρό και πάλι σε αέριο κατά τη διάρκεια ενός κύκλου.

Όταν ένα αέριο θερμαίνεται, διαστέλλεται. Ωστόσο, όταν ένα αέριο περιέχεται, διαστέλλεται και η πίεσή του αυξάνεται. Εάν το κάτω τοίχωμα του θαλάμου περιορισμού είναι η κορυφή ενός κινούμενου εμβόλου, η πίεση που ασκείται στην επιφάνεια του εμβόλου το αναγκάζει να κινηθεί προς τα κάτω. Αυτή η κίνηση μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσει έργο ίσο με ολόκληρη τη δύναμη που εφαρμόζεται στην κορυφή του εμβόλου πολλαπλασιαζόμενη επί τη διανυθείσα απόσταση του εμβόλου.

Ψυγεία και αντλίες θερμότητας

Οι μηχανικοί μετατροπείς ενέργειας όπως τα ψυγεία και οι αντλίες θερμότητας μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε θερμότητα. Τα κλειστά συστήματα αντιπροσωπεύουν τη συντριπτική πλειοψηφία αυτών. Η θερμοκρασία ενός αερίου αυξάνεται όταν συμπιέζεται. Το ζεστό αέριο μπορεί στη συνέχεια να μεταδώσει θερμότητα στο περιβάλλον. Επειδή μέρος της θερμικής ενέργειας χάθηκε κατά τη διάρκεια του θερμού κύκλου, η θερμοκρασία του συμπιεσμένου αερίου μειώνεται κάτω από αυτή που ήταν πριν από τη συμπίεση, όταν αφήνεται να διασταλεί. Το κρύο αέριο μπορεί στη συνέχεια να απορροφήσει θερμική ενέργεια από το περιβάλλον του.

Η αρχή λειτουργίας ενός κλιματιστικού είναι η εξής. Τα κλιματιστικά δεν παράγουν κρύο. Αντίθετα, το αφαιρούν. Το υγρό εργασίας αποστέλλεται έξω από μια μηχανική αντλία, όπου συμπιέζεται και θερμαίνεται. Η θερμότητα μεταδίδεται στη συνέχεια στην ατμόσφαιρα, συνήθως μέσω ενός αερόψυκτου εναλλάκτη θερμότητας. Στη συνέχεια, η θερμότητα λαμβάνεται από τον εσωτερικό αέρα μέσω άλλου εναλλάκτη θερμότητας πριν μεταφερθεί σε εσωτερικό χώρο για να διασταλεί και να κρυώσει.

Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής

Σύμφωνα με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, οποιαδήποτε αυθόρμητη διεργασία θα έχει πάντα ως αποτέλεσμα την αύξηση της εντροπίας του σύμπαντος (S). Με απλά λόγια, ο νόμος δηλώνει ότι η εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος δεν θα μειωθεί ποτέ με την πάροδο του χρόνου.

Ο δεύτερος νόμος δηλώνει κατηγορηματικά ότι η μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια με 100% απόδοση είναι αδύνατη. Όταν κοιτάμε ένα έμβολο σε έναν κινητήρα, για παράδειγμα, το αέριο θερμαίνεται για να αυξήσει την πίεσή του και να κινήσει ένα έμβολο. Ακόμη και όταν το έμβολο κινείται, ωστόσο, υπάρχει πάντα κάποια θερμότητα στο αέριο που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τίποτα άλλο. Η θερμότητα χάνεται και πρέπει να απορριφθεί. Σε αυτήν την περίπτωση, η απορριπτόμενη θερμότητα εξαλείφεται με την αποβολή του χρησιμοποιημένου μίγματος καυσίμου και αέρα στην ατμόσφαιρα ή με μεταφορά του σε ψύκτρα στην περίπτωση ενός κινητήρα αυτοκινήτου.

Εφαρμογές του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής

Η θερμότητα ρέει πάντα από ένα σώμα με υψηλότερη θερμοκρασία σε ένα σώμα με χαμηλότερη θερμοκρασία, σύμφωνα με το νόμο. Αυτός ο νόμος ισχύει για όλα τα είδη κύκλων θερμικής μηχανής, συμπεριλαμβανομένων των Otto, Diesel και άλλων, καθώς και για όλους τους τύπους υγρών εργασίας. Αυτός ο νόμος έχει διευκολύνει την εξέλιξη των σύγχρονων αυτοκινήτων.

Τα ψυγεία και οι αντλίες θερμότητας που βασίζονται στον Αντεστραμμένο Κύκλο Carnot είναι μια άλλη εφαρμογή αυτής της ιδέας. Θα χρειαστεί να προσφέρετε εξωτερική εργασία εάν θέλετε να μεταδώσετε θερμότητα από σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας σε σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας. Η θερμότητα παράγει έργο στον αρχικό κύκλο Carnot, ενώ παρέχεται εργασία για τη μεταφορά θερμότητας από μια δεξαμενή χαμηλότερης θερμοκρασίας σε μια δεξαμενή υψηλότερης θερμοκρασίας στον Αντεστραμμένο κύκλο Carnot.

Η θερμότητα από τα τρόφιμα στο ψυγείο δεν αφαιρείται αυτόματα και δεν πετιέται στο πιο ζεστό περιβάλλον. Για να το κάνουμε αυτό στο ψυγείο, θα χρειαστεί να παρέχουμε εξωτερική εργασία μέσω του συμπιεστή.

Οι νόμοι της θερμοδυναμικής ισχύουν τόσο για τα κλιματιστικά όσο και για τις αντλίες θερμότητας. Απελευθερώνοντας την απορροφούμενη θερμότητα στην ατμόσφαιρα, το κλιματιστικό αφαιρεί τη θερμότητα από το δωμάτιο και τη διατηρεί σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Το χειμώνα, η αντλία θερμότητας συλλέγει θερμότητα από την ατμόσφαιρα και τη διανέμει στο δωμάτιο, το οποίο είναι πιο δροσερό.

Συμπέρασμα

Ο κλάδος της επιστήμης που ασχολείται με τη μεταφορά ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη, καθώς και τη σχέση μεταξύ θερμότητας και θερμοκρασίας, ενέργειας και εκτελεσθείσας εργασίας, είναι γνωστός ως θερμοδυναμική. Με άλλα λόγια, η θερμοδυναμική είναι ο κλάδος της επιστήμης που ασχολείται με τη μελέτη των συνδυασμένων επιδράσεων της θερμότητας και της εργασίας στις αλλαγές στην κατάσταση της ύλης που διέπονται από θερμοδυναμικές αρχές.

Η ενέργεια, όπως και η ύλη, διατηρείται συνεχώς, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί, αλλά μπορεί να μετατραπεί σε πολλές μορφές. Η εσωτερική ενέργεια αναφέρεται στην ενέργεια που σχετίζεται με τα μόρια ενός συστήματος και περιλαμβάνει τόσο την κινητική όσο και τη δυναμική ενέργεια. Μια σειρά από μεταφορές και μετατροπές ενέργειας συμβαίνει κάθε φορά που ένα σύστημα αλλάζει ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης θερμότητας, εργασίας και εσωτερικής ενέργειας.