Studi tentang hubungan antara energi dan entropi adalah apa yang dipelajari termodinamika teknis. Ini mencakup seluruh rangkaian teori yang menghubungkan sifat makroskopik yang dapat diukur (suhu, tekanan, dan volume) dengan energi dan kemampuannya untuk melakukan kerja.
Pengantar
Konsep panas dan suhu adalah yang paling mendasar untuk termodinamika teknis. Itu bisa disebut ilmu semua fenomena yang bergantung pada suhu dan perubahannya. Dalam fisika statistik, yang sekarang menjadi bagiannya, ini adalah salah satu teori besar yang menjadi dasar pemahaman materi saat ini. Sistem termodinamika didefinisikan sebagai kuantitas materi dengan massa dan identitas yang tetap. Segala sesuatu di luarnya adalah lingkungan dari mana ia dipisahkan oleh batas-batas. Aplikasi termodinamika teknis meliputi konstruksi seperti:
- AC dan kulkas;
- turbocharger dan supercharger di mesin otomotif;
- turbin uap di pembangkit listrik;
- reaktifmesin pesawat.
Panas dan suhu
Setiap orang memiliki pengetahuan intuitif tentang konsep suhu. Tubuh itu panas atau dingin, tergantung pada apakah suhunya lebih atau kurang tinggi. Tetapi definisi yang tepat lebih sulit. Dalam termodinamika teknis klasik, suhu absolut suatu benda didefinisikan. Ini mengarah pada penciptaan skala Kelvin. Suhu minimum untuk semua benda adalah nol Kelvin (-273, 15°C). Ini adalah nol mutlak, konsep yang pertama kali muncul pada tahun 1702 berkat fisikawan Prancis Guillaume Amonton.
Panas lebih sulit didefinisikan. Termodinamika teknis menafsirkannya sebagai transfer energi secara acak dari sistem ke lingkungan eksternal. Ini sesuai dengan energi kinetik molekul yang bergerak dan mengalami dampak acak (gerakan Brown). Energi yang ditransmisikan disebut tidak teratur pada tingkat mikroskopis, berlawanan dengan keteraturan, yang dilakukan melalui kerja pada tingkat makroskopik.
Keadaan materi
Keadaan materi adalah deskripsi jenis struktur fisik yang ditunjukkan oleh suatu zat. Ini memiliki sifat yang menggambarkan bagaimana suatu bahan mempertahankan strukturnya. Ada lima keadaan materi:
- gas;
- cair;
- tubuh padat;
- plasma;
- superfluid (paling langka).
Banyak zat dapat berpindah antara fase gas, cair, dan padat. Plasma adalah keadaan khusus materiseperti kilat.
Kapasitas panas
Kapasitas panas (C) adalah rasio perubahan panas (ΔQ, di mana karakter Yunani Delta berarti kuantitas) terhadap perubahan suhu (ΔT):
C=Q / T.
Dia menunjukkan kemudahan zat itu dipanaskan. Konduktor termal yang baik memiliki nilai kapasitansi yang rendah. Isolator panas yang kuat dengan kapasitas panas yang tinggi.
Terminologi
Setiap sains memiliki kosakata uniknya sendiri. Konsep dasar termodinamika teknis meliputi:
- Perpindahan panas adalah pertukaran suhu antara dua zat.
- Pendekatan mikroskopis - studi tentang perilaku setiap atom dan molekul (mekanika kuantum).
- Pendekatan makroskopik - pengamatan perilaku umum banyak partikel.
- Sistem termodinamika adalah jumlah zat atau luas dalam ruang yang dipilih untuk penelitian.
- Lingkungan - semua sistem eksternal.
- Konduksi - panas dipindahkan melalui benda padat yang dipanaskan.
- Konveksi - partikel yang dipanaskan mengembalikan panas ke zat lain.
- Radiasi - panas ditransmisikan melalui gelombang elektromagnetik, seperti dari matahari.
- Entropi - dalam termodinamika adalah kuantitas fisik yang digunakan untuk mengkarakterisasi proses isotermal.
Lebih banyak tentang sains
Penafsiran termodinamika sebagai disiplin fisika yang terpisah tidak sepenuhnya benar. Ini mempengaruhi hampir segalanyadaerah. Tanpa kemampuan sistem untuk menggunakan energi internal untuk melakukan pekerjaan, fisikawan tidak akan memiliki apa pun untuk dipelajari. Ada juga beberapa bidang termodinamika yang sangat berguna:
- Rekayasa panas. Ini mempelajari dua kemungkinan transfer energi: kerja dan panas. Terkait dengan penilaian perpindahan energi pada zat kerja mesin.
- Cryophysics (kriogenik) - ilmu tentang suhu rendah. Mengeksplorasi sifat fisik zat dalam kondisi yang dialami bahkan di wilayah terdingin di Bumi. Contohnya adalah studi tentang superfluida.
- Hidrodinamika adalah ilmu yang mempelajari sifat fisis zat cair.
- Fisika tekanan tinggi. Mengeksplorasi sifat fisik zat dalam sistem tekanan sangat tinggi yang terkait dengan dinamika fluida.
- Meteorologi adalah studi ilmiah tentang atmosfer yang berfokus pada proses dan prakiraan cuaca.
- Fisika Plasma - studi materi dalam keadaan plasma.
Hukum Nol
Subjek dan metode termodinamika teknis adalah pengamatan eksperimental yang ditulis dalam bentuk hukum. Hukum ke-nol termodinamika menyatakan bahwa ketika dua benda memiliki suhu yang sama dengan yang ketiga, mereka pada gilirannya memiliki suhu yang sama satu sama lain. Sebagai contoh: satu balok tembaga dikontakkan dengan termometer sampai suhunya sama. Kemudian dihapus. Balok tembaga kedua dikontakkan dengan termometer yang sama. Jika tidak ada perubahan kadar merkuri, maka kita dapat mengatakan bahwa kedua balok berada dikesetimbangan termal dengan termometer.
Hukum Pertama
Hukum ini menyatakan bahwa ketika sistem mengalami perubahan keadaan, energi dapat melintasi batas baik sebagai panas atau sebagai usaha. Masing-masing bisa positif atau negatif. Perubahan energi bersih suatu sistem selalu sama dengan energi bersih yang melintasi batas sistem. Yang terakhir ini bisa internal, kinetik atau potensial.
Hukum Kedua
Ini digunakan untuk menentukan arah di mana proses termal tertentu dapat terjadi. Hukum termodinamika ini menyatakan bahwa tidak mungkin membuat alat yang bekerja dalam siklus dan tidak menghasilkan efek apa pun selain mentransfer panas dari benda yang bersuhu lebih rendah ke benda yang lebih panas. Kadang-kadang disebut hukum entropi karena memperkenalkan sifat penting ini. Entropi dapat dianggap sebagai ukuran seberapa dekat suatu sistem dengan keseimbangan atau ketidakteraturan.
Proses termal
Sistem mengalami proses termodinamika ketika beberapa jenis perubahan energi terjadi di dalamnya, biasanya terkait dengan transformasi tekanan, volume, suhu. Ada beberapa tipe khusus dengan properti khusus:
- adiabatik - tidak ada pertukaran panas dalam sistem;
- isochoric - tidak ada perubahan volume;
- isobarik - tidak ada perubahan tekanan;
- isotermal - tidak ada perubahan suhu.
Reversibilitas
Proses reversibel adalah proses yang, setelah terjadi, dapatdibatalkan. Itu tidak meninggalkan perubahan apa pun baik di sistem maupun di lingkungan. Untuk menjadi reversibel, sistem harus dalam kesetimbangan. Ada faktor-faktor yang membuat proses itu tidak dapat diubah. Misalnya, gesekan dan ekspansi pelarian.
Aplikasi
Banyak aspek kehidupan umat manusia modern dibangun di atas dasar rekayasa panas. Ini termasuk:
- Semua kendaraan (mobil, sepeda motor, gerobak, kapal, pesawat, dll.) beroperasi berdasarkan hukum kedua termodinamika dan siklus Carnot. Mereka bisa menggunakan mesin bensin atau solar, tapi hukumnya tetap sama.
- Kompresor udara dan gas, blower, kipas beroperasi pada siklus termodinamika yang berbeda.
- Pertukaran panas digunakan di evaporator, kondensor, radiator, pendingin, pemanas.
- Kulkas, freezer, sistem pendingin industri, semua jenis sistem pendingin udara dan pompa panas bekerja karena hukum kedua.
Termodinamika teknis juga mencakup studi tentang berbagai jenis pembangkit listrik: termal, nuklir, hidroelektrik, berdasarkan sumber energi terbarukan (seperti matahari, angin, panas bumi), pasang surut, gelombang dan lain-lain.
