ენერგეტიკასა და ენტროპიას შორის ურთიერთობის შესწავლა არის ის, რასაც ტექნიკური თერმოდინამიკა სწავლობს. იგი მოიცავს თეორიების მთელ კრებულს, რომლებიც აკავშირებს გაზომვადი მაკროსკოპული თვისებების (ტემპერატურა, წნევა და მოცულობა) ენერგიას და მის მუშაობის უნარს.
შესავალი
სათბობისა და ტემპერატურის ცნებები ტექნიკური თერმოდინამიკის ყველაზე ფუნდამენტურია. მას შეიძლება ეწოდოს მეცნიერება ყველა ფენომენის შესახებ, რომელიც დამოკიდებულია ტემპერატურაზე და მის ცვლილებებზე. სტატისტიკურ ფიზიკაში, რომლის ნაწილიც ის ახლაა, ეს არის ერთ-ერთი უდიდესი თეორია, რომელსაც ემყარება მატერიის ამჟამინდელი გაგება. თერმოდინამიკური სისტემა განისაზღვრება, როგორც ფიქსირებული მასისა და იდენტურობის მატერიის რაოდენობა. ყველაფერი გარედან არის გარემო, საიდანაც იგი გამოყოფილია საზღვრებით. ტექნიკური თერმოდინამიკის გამოყენება მოიცავს კონსტრუქციებს, როგორიცაა:
- კონდენციონერები და მაცივრები;
- ტურბო დამტენები და სუპერჩამტენები საავტომობილო ძრავებში;
- ორთქლის ტურბინები ელექტროსადგურებში;
- რეაქტიულითვითმფრინავის ძრავები.
სითბო და ტემპერატურა
ყველა ადამიანს აქვს ტემპერატურის კონცეფციის ინტუიციური ცოდნა. სხეული ცხელია თუ ცივი, იმისდა მიხედვით, მისი ტემპერატურა მეტ-ნაკლებად მაღალია. მაგრამ ზუსტი განმარტება უფრო რთულია. კლასიკურ ტექნიკურ თერმოდინამიკაში განისაზღვრა სხეულის აბსოლუტური ტემპერატურა. ამან გამოიწვია კელვინის მასშტაბის შექმნა. ყველა სხეულის მინიმალური ტემპერატურა არის ნული კელვინი (-273, 15°C). ეს არის აბსოლუტური ნული, რომლის კონცეფცია პირველად გამოჩნდა 1702 წელს ფრანგი ფიზიკოსის გიომ ამონტონის წყალობით.
სითბოს განსაზღვრა უფრო რთულია. ტექნიკური თერმოდინამიკა მას განმარტავს, როგორც ენერგიის შემთხვევით გადაცემას სისტემიდან გარე გარემოში. იგი შეესაბამება მოლეკულების კინეტიკურ ენერგიას, რომლებიც მოძრაობენ და ექვემდებარებიან შემთხვევით ზემოქმედებას (ბრაუნის მოძრაობა). გადაცემულ ენერგიას მიკროსკოპულ დონეზე მოუწესრიგებელი ეწოდება, განსხვავებით მოწესრიგებულისგან, რომელიც შესრულებულია მაკროსკოპულ დონეზე მუშაობის შედეგად.
მატერიის მდგომარეობა
მატერიის მდგომარეობა არის ფიზიკური სტრუქტურის ტიპის აღწერა, რომელსაც ავლენს ნივთიერება. მას აქვს თვისებები, რომლებიც აღწერს, თუ როგორ ინარჩუნებს მასალა სტრუქტურას. არსებობს მატერიის ხუთი მდგომარეობა:
- გაზი;
- თხევადი;
- მყარი სხეული;
- პლაზმა;
- ზესითხე (უიშვიათესი).
ბევრ ნივთიერებას შეუძლია გადაადგილება აირის, თხევადი და მყარი ფაზებს შორის. პლაზმა მატერიის განსაკუთრებული მდგომარეობააროგორც ელვა.
სითბოუნარიანობა
სითბოუნარიანობა (C) არის სითბოს ცვლილების თანაფარდობა (ΔQ, სადაც ბერძნული სიმბოლო Delta ნიშნავს რაოდენობას) ტემპერატურის ცვლილებასთან (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
ის აჩვენებს ნივთიერების გაცხელების სიმარტივეს. კარგ თბოგამტარს აქვს დაბალი ტევადობის ნიშანი. ძლიერი სითბოს იზოლატორი მაღალი სითბოს ტევადობით.
ტერმინოლოგია
თითოეულ მეცნიერებას აქვს თავისი უნიკალური ლექსიკა. ტექნიკური თერმოდინამიკის ძირითადი ცნებები მოიცავს:
- თბოგადაცემა არის ტემპერატურის ურთიერთგაცვლა ორ ნივთიერებას შორის.
- მიკროსკოპული მიდგომა - თითოეული ატომისა და მოლეკულის ქცევის შესწავლა (კვანტური მექანიკა).
- მაკროსკოპული მიდგომა - მრავალი ნაწილაკების ზოგადი ქცევის დაკვირვება.
- თერმოდინამიკური სისტემა არის კვლევისთვის არჩეული ნივთიერების ან ფართობის რაოდენობა.
- გარემო - ყველა გარე სისტემა.
- გამტარობა - სითბო გადადის გახურებული მყარი სხეულის მეშვეობით.
- კონვექცია - გაცხელებული ნაწილაკები სითბოს უბრუნებს სხვა ნივთიერებას.
- გამოსხივება - სითბო გადაეცემა ელექტრომაგნიტური ტალღების მეშვეობით, მაგალითად, მზისგან.
- ენტროპია - თერმოდინამიკაში არის ფიზიკური სიდიდე, რომელიც გამოიყენება იზოთერმული პროცესის დასახასიათებლად.
მეტი მეცნიერების შესახებ
თერმოდინამიკის, როგორც ფიზიკის ცალკეული დისციპლინის ინტერპრეტაცია მთლად სწორი არ არის. ეს გავლენას ახდენს თითქმის ყველაფერზეტერიტორიები. სისტემის უნარის გარეშე გამოიყენოს შიდა ენერგია სამუშაოს შესასრულებლად, ფიზიკოსებს არაფერი ექნებათ შესასწავლი. ასევე არსებობს თერმოდინამიკის რამდენიმე ძალიან სასარგებლო სფერო:
- სითბო ინჟინერია. იგი სწავლობს ენერგიის გადაცემის ორ შესაძლებლობას: მუშაობას და სითბოს. დაკავშირებულია ენერგიის გადაცემის შეფასებასთან მანქანის სამუშაო სუბსტანციაში.
- კრიოფიზიკა (კრიოგენიკა) - მეცნიერება დაბალი ტემპერატურის შესახებ. იკვლევს ნივთიერებების ფიზიკურ თვისებებს დედამიწის ყველაზე ცივ რეგიონშიც კი გამოცდილი პირობებში. ამის მაგალითია ზესთხეების შესწავლა.
- ჰიდროდინამიკა არის სითხეების ფიზიკური თვისებების შესწავლა.
- მაღალი წნევის ფიზიკა. იკვლევს ნივთიერებების ფიზიკურ თვისებებს უკიდურესად მაღალი წნევის სისტემებში, რომლებიც დაკავშირებულია სითხის დინამიკასთან.
- მეტეოროლოგია არის ატმოსფეროს მეცნიერული შესწავლა, რომელიც ფოკუსირებულია ამინდის პროცესებზე და პროგნოზირებაზე.
- პლაზმის ფიზიკა - მატერიის შესწავლა პლაზმურ მდგომარეობაში.
ნულოვანი კანონი
ტექნიკური თერმოდინამიკის საგანი და მეთოდი არის კანონების სახით დაწერილი ექსპერიმენტული დაკვირვებები. თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონი ამბობს, რომ როდესაც ორ სხეულს აქვს იგივე ტემპერატურა მესამესთან, მათ თავის მხრივ აქვთ იგივე ტემპერატურა ერთმანეთთან. მაგალითად: სპილენძის ერთი ბლოკი შეჰყავთ თერმომეტრთან, სანამ ტემპერატურა არ იქნება თანაბარი. შემდეგ ის ამოღებულია. სპილენძის მეორე ბლოკი კონტაქტშია იმავე თერმომეტრთან. თუ ვერცხლისწყლის დონის ცვლილება არ არის, მაშინ შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ორივე ბლოკი შეყვანილიათერმული წონასწორობა თერმომეტრით.
პირველი კანონი
ეს კანონი ამბობს, რომ როდესაც სისტემა განიცდის მდგომარეობის ცვლილებას, ენერგიამ შეიძლება გადალახოს საზღვარი როგორც სითბო, ასევე სამუშაო. თითოეული მათგანი შეიძლება იყოს დადებითი ან უარყოფითი. სისტემის წმინდა ენერგიის ცვლილება ყოველთვის უდრის წმინდა ენერგიას, რომელიც კვეთს სისტემის საზღვარს. ეს უკანასკნელი შეიძლება იყოს შინაგანი, კინეტიკური ან პოტენციური.
მეორე კანონი
იგი გამოიყენება იმ მიმართულების დასადგენად, რომელშიც შეიძლება მოხდეს კონკრეტული თერმული პროცესი. თერმოდინამიკის ეს კანონი ამბობს, რომ შეუძლებელია ისეთი მოწყობილობის შექმნა, რომელიც მუშაობს ციკლში და არ გამოიმუშავებს სხვა ეფექტს, გარდა დაბალი ტემპერატურის მქონე სხეულიდან უფრო ცხელ სხეულზე სითბოს გადაცემისა. მას ზოგჯერ ენტროპიის კანონს უწოდებენ, რადგან ის შემოაქვს ამ მნიშვნელოვან თვისებას. ენტროპია შეიძლება მივიჩნიოთ, როგორც საზომი, თუ რამდენად ახლოს არის სისტემა წონასწორობასთან ან აშლილობასთან.
თერმული პროცესი
სისტემა გადის თერმოდინამიკურ პროცესს, როდესაც მასში ხდება ენერგიის გარკვეული ცვლილება, რომელიც ჩვეულებრივ ასოცირდება წნევის, მოცულობის, ტემპერატურის ტრანსფორმაციასთან. არსებობს რამდენიმე სპეციფიკური ტიპი განსაკუთრებული თვისებებით:
- ადიაბატური - სისტემაში არ არის სითბოს გაცვლა;
- იზოქორიული - არ იცვლება მოცულობა;
- იზობარი - წნევის ცვლილება არ არის;
- იზოთერმული - ტემპერატურის ცვლილება არ არის.
შექცევადობა
შექცევადი პროცესი არის ის, რაც მისი განხორციელების შემდეგ შეიძლება იყოსგაუქმდა. ის არ ტოვებს რაიმე ცვლილებას არც სისტემაში და არც გარემოში. შექცევადობისთვის სისტემა უნდა იყოს წონასწორობაში. არის ფაქტორები, რომლებიც პროცესს შეუქცევად ხდის. მაგალითად, ხახუნი და გაურკვეველი გაფართოება.
აპლიკაცია
თანამედროვე კაცობრიობის ცხოვრების მრავალი ასპექტი აგებულია სითბოს ინჟინერიის საფუძვლებზე. ეს მოიცავს:
- ყველა სატრანსპორტო საშუალება (მანქანები, მოტოციკლები, ურიკები, გემები, თვითმფრინავები და ა.შ.) მოქმედებს თერმოდინამიკის მეორე კანონისა და კარნოს ციკლის საფუძველზე. მათ შეუძლიათ გამოიყენონ ბენზინის ან დიზელის ძრავა, მაგრამ კანონი იგივე რჩება.
- ჰაერის და გაზის კომპრესორები, აფეთქებები, ვენტილატორები მუშაობენ სხვადასხვა თერმოდინამიკურ ციკლზე.
- თბოგაცვლა გამოიყენება აორთქლებაში, კონდენსატორებში, რადიატორებში, ქულერებში, გამათბობლებში.
- მაცივრები, საყინულეები, სამრეწველო სამაცივრო სისტემები, ყველა სახის კონდიცირების სისტემა და სითბოს ტუმბოები მუშაობს მეორე კანონის მიხედვით.
ტექნიკური თერმოდინამიკა ასევე მოიცავს სხვადასხვა ტიპის ელექტროსადგურების შესწავლას: თერმული, ბირთვული, ჰიდროელექტროსადგურები, რომლებიც დაფუძნებულია განახლებადი ენერგიის წყაროებზე (როგორიცაა მზის, ქარი, გეოთერმული), მოქცევა, ტალღები და სხვა.
