การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับเอนโทรปีคือสิ่งที่เทอร์โมไดนามิกส์ทางเทคนิคศึกษา ประกอบด้วยทฤษฎีทั้งชุดที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติมหภาคที่วัดได้ (อุณหภูมิ ความดัน และปริมาตร) กับพลังงานและความสามารถในการทำงาน
แนะนำตัว
แนวคิดเรื่องความร้อนและอุณหภูมิเป็นพื้นฐานที่สุดสำหรับอุณหพลศาสตร์ทางเทคนิค เรียกได้ว่าเป็นศาสตร์แห่งปรากฏการณ์ทั้งหมดที่ขึ้นกับอุณหภูมิและการเปลี่ยนแปลงของมัน ในฟิสิกส์สถิติซึ่งตอนนี้เป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎีนี้เป็นหนึ่งในทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่ซึ่งใช้ความเข้าใจในปัจจุบันของสสาร ระบบอุณหพลศาสตร์ถูกกำหนดให้เป็นปริมาณของมวลคงที่และเอกลักษณ์ ทุกสิ่งภายนอกคือสภาพแวดล้อมที่แยกจากกันด้วยขอบเขต การประยุกต์ใช้อุณหพลศาสตร์ทางเทคนิครวมถึงโครงสร้างเช่น:
- เครื่องปรับอากาศและตู้เย็น;
- เทอร์โบชาร์จเจอร์และซุปเปอร์ชาร์จเจอร์ในเครื่องยนต์ยานยนต์
- กังหันไอน้ำในโรงไฟฟ้า
- รีแอคทีฟเครื่องยนต์อากาศยาน
ความร้อนและอุณหภูมิ
ทุกคนมีความรู้เกี่ยวกับแนวคิดเรื่องอุณหภูมิโดยสัญชาตญาณ ร่างกายจะร้อนหรือเย็น ขึ้นกับว่าอุณหภูมิสูงขึ้นหรือต่ำลง แต่คำจำกัดความที่แน่นอนนั้นยากกว่า ในอุณหพลศาสตร์ทางเทคนิคแบบคลาสสิก มีการกำหนดอุณหภูมิสัมบูรณ์ของร่างกาย มันนำไปสู่การสร้างมาตราส่วนเคลวิน อุณหภูมิต่ำสุดสำหรับวัตถุทั้งหมดคือศูนย์เคลวิน (-273, 15°C) นี่คือศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งเป็นแนวคิดที่ปรากฏตัวครั้งแรกในปี 1702 ต้องขอบคุณนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Guillaume Amonton
ความร้อนนั้นยากที่จะกำหนด อุณหพลศาสตร์ทางเทคนิคตีความว่าเป็นการถ่ายโอนพลังงานแบบสุ่มจากระบบไปยังสภาพแวดล้อมภายนอก มันสอดคล้องกับพลังงานจลน์ของโมเลกุลที่เคลื่อนที่และอยู่ภายใต้การกระแทกแบบสุ่ม (การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน) พลังงานที่ส่งผ่านเรียกว่าไม่เป็นระเบียบในระดับจุลทรรศน์ เมื่อเทียบกับการทำงานอย่างเป็นระเบียบ โดยผ่านการทำงานในระดับมหภาค
สถานะของสสาร
สถานะของสสารคือคำอธิบายประเภทของโครงสร้างทางกายภาพที่สารแสดง มีคุณสมบัติที่อธิบายว่าวัสดุรักษาโครงสร้างอย่างไร สถานะของสสารมีห้าสถานะ:
- แก๊ส;
- ของเหลว;
- ตัวแข็ง;
- พลาสม่า;
- ซุปเปอร์ฟลูอิด (หายากที่สุด).
สารหลายชนิดสามารถเคลื่อนที่ไปมาระหว่างเฟสของแก๊ส ของเหลว และของแข็งได้ พลาสม่าเป็นสถานะพิเศษของสสารเหมือนสายฟ้า
ความจุความร้อน
ความจุความร้อน (C) คืออัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงของความร้อน (ΔQ โดยที่ตัวอักษรกรีกเดลต้าหมายถึงปริมาณ) ต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
เธอแสดงความอุ่นกับสาร ตัวนำความร้อนที่ดีมีค่าความจุต่ำ ฉนวนกันความร้อนที่แข็งแกร่งพร้อมความจุความร้อนสูง
คำศัพท์
วิทยาศาสตร์แต่ละวิชามีคำศัพท์เฉพาะของตัวเอง แนวคิดพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ทางเทคนิค ได้แก่
- การถ่ายเทความร้อนคือการแลกเปลี่ยนอุณหภูมิระหว่างสารสองชนิด
- วิธีไมโครสโคป - การศึกษาพฤติกรรมของแต่ละอะตอมและโมเลกุล (กลศาสตร์ควอนตัม)
- วิธีมาโครสโคป - การสังเกตพฤติกรรมทั่วไปของอนุภาคจำนวนมาก
- ระบบอุณหพลศาสตร์คือปริมาณของสารหรือพื้นที่ในอวกาศที่เลือกไว้สำหรับการวิจัย
- สิ่งแวดล้อม - ระบบภายนอกทั้งหมด
- การนำ - ความร้อนถูกถ่ายเทผ่านตัวแข็งที่ให้ความร้อน
- การพาความร้อน - อนุภาคที่ให้ความร้อนคืนความร้อนให้กับสารอื่น
- รังสี - ความร้อนถูกส่งผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น จากดวงอาทิตย์
- เอนโทรปี - ในอุณหพลศาสตร์คือปริมาณทางกายภาพที่ใช้กำหนดลักษณะของกระบวนการไอโซเทอร์มอล
เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์
การตีความเทอร์โมไดนามิกส์เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่แยกจากกันไม่ถูกต้องทั้งหมด กระทบแทบทุกเรื่องพื้นที่ หากไม่มีความสามารถของระบบในการใช้พลังงานภายในเพื่อทำงาน นักฟิสิกส์ก็คงไม่มีอะไรต้องศึกษา นอกจากนี้ยังมีส่วนที่มีประโยชน์มากของอุณหพลศาสตร์:
- วิศวกรรมความร้อน. โดยศึกษาความเป็นไปได้สองประการของการถ่ายเทพลังงาน: งานและความร้อน เกี่ยวข้องกับการประเมินการถ่ายเทพลังงานในสารการทำงานของเครื่อง
- Cryophysics (cryogenics) - ศาสตร์แห่งอุณหภูมิต่ำ สำรวจคุณสมบัติทางกายภาพของสารภายใต้สภาวะที่สัมผัสได้แม้ในพื้นที่ที่หนาวเย็นที่สุดของโลก ตัวอย่างนี้คือการศึกษา superfluids
- อุทกพลศาสตร์คือการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของของเหลว
- ฟิสิกส์ความกดดันสูง. สำรวจคุณสมบัติทางกายภาพของสารในระบบความดันสูงมากที่เกี่ยวข้องกับพลศาสตร์ของไหล
- อุตุนิยมวิทยาเป็นการศึกษาทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับบรรยากาศที่เน้นกระบวนการและพยากรณ์อากาศ
- Plasma Physics - การศึกษาสสารในสถานะพลาสมา
กฎศูนย์
หัวเรื่องและวิธีการของอุณหพลศาสตร์ทางเทคนิคเป็นการสังเกตเชิงทดลองที่เขียนในรูปแบบของกฎหมาย กฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเมื่อวัตถุสองชิ้นมีอุณหภูมิเท่ากันกับวัตถุที่สาม วัตถุทั้งสองจะมีอุณหภูมิเท่ากัน ตัวอย่างเช่น: นำทองแดงหนึ่งบล็อกมาสัมผัสกับเทอร์โมมิเตอร์จนอุณหภูมิเท่ากัน จากนั้นจะถูกลบออก ทองแดงบล็อกที่สองถูกนำไปสัมผัสกับเทอร์โมมิเตอร์ตัวเดียวกัน หากไม่มีการเปลี่ยนแปลงระดับปรอท เราสามารถพูดได้ว่าทั้งสองบล็อคอยู่ในสมดุลความร้อนด้วยเทอร์โมมิเตอร์
กฎข้อที่หนึ่ง
กฎหมายนี้ระบุว่าในขณะที่ระบบมีการเปลี่ยนแปลงสถานะ พลังงานสามารถข้ามขอบเขตได้ทั้งในรูปแบบความร้อนหรือในการทำงาน แต่ละคนสามารถเป็นบวกหรือลบ การเปลี่ยนแปลงพลังงานสุทธิของระบบจะเท่ากับพลังงานสุทธิที่ข้ามขอบเขตของระบบเสมอ อย่างหลังอาจเป็นแบบภายใน จลนศาสตร์ หรือศักยภาพ
กฎข้อที่สอง
ใช้เพื่อกำหนดทิศทางที่กระบวนการระบายความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้ กฎของอุณหพลศาสตร์นี้ระบุว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างอุปกรณ์ที่ทำงานเป็นวัฏจักรและไม่ก่อให้เกิดผลกระทบอื่นใดนอกจากการถ่ายเทความร้อนจากร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปยังร่างกายที่ร้อนกว่า บางครั้งเรียกว่ากฎของเอนโทรปีเพราะมันแนะนำคุณสมบัติที่สำคัญนี้ เอนโทรปีสามารถคิดได้ว่าเป็นการวัดว่าระบบอยู่ใกล้กับสมดุลหรือความวุ่นวายเพียงใด
กระบวนการทางความร้อน
ระบบจะผ่านกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานบางอย่างเกิดขึ้น ซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของความดัน ปริมาตร อุณหภูมิ มีหลายประเภทเฉพาะที่มีคุณสมบัติพิเศษ:
- อะเดียแบติก - ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนในระบบ
- isochoric - ปริมาณไม่เปลี่ยนแปลง
- isobaric - ไม่มีการเปลี่ยนแปลงความดัน
- อุณหภูมิคงที่ - อุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง
ย้อนกลับ
กระบวนการย้อนกลับคือกระบวนการที่หลังจากเกิดขึ้นแล้วสามารถยกเลิก. ไม่ทิ้งการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ไว้ในระบบหรือในสภาพแวดล้อม หากต้องการย้อนกลับได้ ระบบจะต้องอยู่ในสมดุล มีปัจจัยที่ทำให้กระบวนการนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้ ตัวอย่างเช่น แรงเสียดทานและการขยายตัวอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
แอปพลิเคชัน
ชีวิตมนุษย์สมัยใหม่หลายแง่มุมถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของวิศวกรรมความร้อน ซึ่งรวมถึง:
- ยานพาหนะทั้งหมด (รถยนต์ รถจักรยานยนต์ เกวียน เรือ เครื่องบิน ฯลฯ) ทำงานบนพื้นฐานของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์และวัฏจักรคาร์โนต์ สามารถใช้เครื่องยนต์เบนซินหรือดีเซลได้ แต่กฎหมายยังคงเหมือนเดิม
- เครื่องอัดอากาศและแก๊ส โบลเวอร์ พัดลมทำงานบนวัฏจักรเทอร์โมไดนามิกส์ที่แตกต่างกัน
- แลกเปลี่ยนความร้อนใช้ในเครื่องระเหย คอนเดนเซอร์ หม้อน้ำ เครื่องทำความเย็น เครื่องทำความร้อน
- ตู้เย็น ตู้แช่แข็ง ระบบทำความเย็นอุตสาหกรรม ระบบปรับอากาศและฮีทปั๊มทุกประเภททำงานตามกฎหมายข้อที่ 2
อุณหพลศาสตร์ทางเทคนิคยังรวมถึงการศึกษาโรงไฟฟ้าประเภทต่างๆ เช่น ความร้อน นิวเคลียร์ ไฟฟ้าพลังน้ำ จากแหล่งพลังงานหมุนเวียน (เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ ลม ความร้อนใต้พิภพ) กระแสน้ำ คลื่น และอื่นๆ
