Utafiti wa uhusiano kati ya nishati na entropy ndio utafiti wa kiufundi wa thermodynamics. Inajumuisha seti nzima ya nadharia zinazohusiana na sifa zinazopimika za macroscopic (joto, shinikizo, na kiasi) na nishati na uwezo wake wa kufanya kazi.
Utangulizi
Dhana za joto na halijoto ndizo za msingi zaidi kwa thermodynamics ya kiufundi. Inaweza kuitwa sayansi ya matukio yote ambayo hutegemea joto na mabadiliko yake. Katika fizikia ya takwimu, ambayo sasa ni sehemu yake, ni moja wapo ya nadharia kuu ambazo uelewa wa sasa wa maada unategemea. Mfumo wa thermodynamic hufafanuliwa kama wingi wa suala la molekuli maalum na utambulisho. Kila kitu nje yake ni mazingira ambayo imetenganishwa na mipaka. Utumizi wa thermodynamics ya kiufundi ni pamoja na miundo kama vile:
- viyoyozi na jokofu;
- turbocharger na supercharja katika injini za magari;
- turbines za mvuke katika mitambo ya kuzalisha umeme;
- tendajiinjini za ndege.
Joto na halijoto
Kila mtu ana ujuzi angavu wa dhana ya halijoto. Mwili ni moto au baridi, kulingana na joto lake ni zaidi au chini ya juu. Lakini ufafanuzi halisi ni ngumu zaidi. Katika thermodynamics ya kiufundi ya classical, joto kamili la mwili lilifafanuliwa. Ilisababisha kuundwa kwa kiwango cha Kelvin. Kiwango cha chini cha joto kwa miili yote ni sifuri Kelvin (-273, 15 ° C). Hii ni sifuri kabisa, dhana ambayo ilionekana kwa mara ya kwanza mnamo 1702 shukrani kwa mwanafizikia Mfaransa Guillaume Amonton.
Joto ni ngumu zaidi kufafanua. Thermodynamics ya kiufundi inatafsiri kama uhamishaji wa nasibu wa nishati kutoka kwa mfumo hadi kwa mazingira ya nje. Inalingana na nishati ya kinetic ya molekuli zinazosonga na kuwa chini ya athari za nasibu (mwendo wa Brownian). Nishati inayosambazwa inaitwa iliyochanganyika katika kiwango cha hadubini, kinyume na utaratibu, unaofanywa kupitia kazi katika kiwango cha makroskopu.
Hali ya jambo
Hali ya maada ni maelezo ya aina ya muundo halisi ambao dutu huonyesha. Ina sifa zinazoelezea jinsi nyenzo hudumisha muundo wake. Kuna hali tano za maada:
- gesi;
- kioevu;
- mwili imara;
- plasma;
- maji ya ziada (ya nadra zaidi).
Vitu vingi vinaweza kusonga kati ya awamu ya gesi, kioevu na kigumu. Plasma ni hali maalum ya sualakama umeme.
Uwezo wa joto
Uwezo wa joto (C) ni uwiano wa badiliko la joto (ΔQ, ambapo herufi ya Kigiriki Delta inasimamia kiasi) kubadilika kwa halijoto (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Anaonyesha urahisi wa kupashwa kwa dutu hii. Kondakta mzuri wa mafuta ana kiwango cha chini cha uwezo. Kihami joto kali na uwezo wa juu wa kuongeza joto.
istilahi
Kila sayansi ina msamiati wake wa kipekee. Dhana za kimsingi za thermodynamics ya kiufundi ni pamoja na:
- Uhamisho wa joto ni ubadilishanaji wa halijoto kati ya vitu viwili.
- Mbinu ya hadubini - uchunguzi wa tabia ya kila atomi na molekuli (utaratibu wa quantum).
- Mtazamo wa jumla - uchunguzi wa tabia ya jumla ya chembe nyingi.
- Mfumo wa thermodynamic ni kiasi cha dutu au eneo katika nafasi iliyochaguliwa kwa ajili ya utafiti.
- Mazingira - mifumo yote ya nje.
- Uendeshaji - joto hupitishwa kupitia mwili dhabiti unaopashwa.
- Convection - chembe chembe zinazopashwa joto hurejesha joto kwenye dutu nyingine.
- Mionzi - joto hupitishwa kupitia mawimbi ya sumakuumeme, kama vile kutoka jua.
- Entropy - katika thermodynamics ni kiasi halisi kinachotumika kubainisha mchakato wa isothermal.
Mengi zaidi kuhusu sayansi
Tafsiri ya thermodynamics kama taaluma tofauti ya fizikia si sahihi kabisa. Inathiri karibu kila kitumaeneo. Bila uwezo wa mfumo wa kutumia nishati ya ndani kufanya kazi, wanafizikia hawangekuwa na chochote cha kusoma. Pia kuna baadhi ya maeneo muhimu sana ya thermodynamics:
- Uhandisi wa joto. Inasoma uwezekano mbili za uhamisho wa nishati: kazi na joto. Inahusishwa na tathmini ya uhamishaji nishati katika dutu ya kazi ya mashine.
- Cryophysics (cryogenics) - sayansi ya halijoto ya chini. Huchunguza sifa za kimaumbile za dutu chini ya hali inayopatikana hata katika eneo baridi zaidi la Dunia. Mfano wa hili ni utafiti wa superfluids.
- Hydrodynamics ni utafiti wa sifa halisi za kimiminika.
- Fizikia ya shinikizo la juu. Huchunguza sifa za kimaumbile za dutu katika mifumo ya shinikizo la juu sana inayohusiana na mienendo ya maji.
- Meteorology ni utafiti wa kisayansi wa angahewa unaozingatia michakato ya hali ya hewa na utabiri.
- Fizikia ya Plasma - utafiti wa mada katika hali ya plasma.
Sheria sifuri
Mada na mbinu ya thermodynamics ya kiufundi ni uchunguzi wa majaribio ulioandikwa kwa njia ya sheria. Sheria ya sifuri ya thermodynamics inasema kwamba wakati miili miwili ina joto sawa na ya tatu, wao kwa upande wao wana joto sawa na kila mmoja. Kwa mfano: block moja ya shaba huletwa kwenye thermometer hadi joto liwe sawa. Kisha huondolewa. Kizuizi cha pili cha shaba kinaguswa na thermometer sawa. Ikiwa hakuna mabadiliko katika kiwango cha zebaki, basi tunaweza kusema kwamba vitalu vyote viwili viko ndaniusawa wa joto kwa kipimajoto.
Sheria ya Kwanza
Sheria hii inasema kuwa mfumo unapopitia mabadiliko ya hali, nishati inaweza kuvuka mpaka kama joto au kazi. Kila mmoja wao anaweza kuwa chanya au hasi. Mabadiliko ya nishati ya mfumo daima ni sawa na nishati ya wavu inayovuka mpaka wa mfumo. Mwisho unaweza kuwa wa ndani, wa kinetiki au unaowezekana.
Sheria ya Pili
Hutumika kubainisha mwelekeo ambao mchakato fulani wa joto unaweza kutokea. Sheria hii ya thermodynamics inasema kuwa haiwezekani kuunda kifaa kinachofanya kazi katika mzunguko na haitoi athari yoyote isipokuwa kuhamisha joto kutoka kwa mwili na joto la chini hadi mwili wa joto. Wakati mwingine inaitwa sheria ya entropy kwa sababu inaleta mali hii muhimu. Entropy inaweza kuchukuliwa kuwa kipimo cha jinsi mfumo ulivyo karibu na usawa au machafuko.
Mchakato wa joto
Mfumo hupitia mchakato wa thermodynamic wakati aina fulani ya mabadiliko ya nishati hutokea ndani yake, kwa kawaida huhusishwa na mabadiliko ya shinikizo, kiasi, joto. Kuna aina kadhaa maalum zenye sifa maalum:
- adiabatic - hakuna kubadilishana joto kwenye mfumo;
- isochoric - hakuna mabadiliko ya sauti;
- isobaric - hakuna mabadiliko ya shinikizo;
- isothermal - hakuna mabadiliko ya halijoto.
Reversibility
Mchakato unaoweza kutenduliwa ni ule ambao, baada ya kufanyika, unaweza kuwaimeghairiwa. Haiachi mabadiliko yoyote katika mfumo au katika mazingira. Ili kugeuzwa, mfumo lazima uwe katika usawa. Kuna mambo ambayo yanafanya mchakato huo kutoweza kutenduliwa. Kwa mfano, msuguano na upanuzi wa kukimbia.
Maombi
Nyingi nyingi za maisha ya mwanadamu wa kisasa zimejengwa kwa misingi ya uhandisi wa joto. Hizi ni pamoja na:
- Magari yote (magari, pikipiki, mikokoteni, meli, ndege, n.k.) hufanya kazi kwa misingi ya sheria ya pili ya thermodynamics na mzunguko wa Carnot. Wanaweza kutumia injini ya petroli au dizeli, lakini sheria inabaki vile vile.
- Compressor za hewa na gesi, vipeperushi, feni hufanya kazi kwa mizunguko tofauti ya halijoto.
- Kubadilisha joto hutumika katika vivukizi, vikondomushi, vidhibiti, vipoeza, vihita.
- Friji, vifriji, mifumo ya majokofu ya viwandani, aina zote za mifumo ya kiyoyozi na pampu za joto hufanya kazi kutokana na sheria ya pili.
Technical thermodynamics pia inajumuisha utafiti wa aina mbalimbali za mitambo ya kuzalisha umeme: mafuta, nyuklia, umeme wa maji, kulingana na vyanzo vya nishati mbadala (kama vile jua, upepo, jotoardhi), mawimbi, mawimbi na vingine.
