L'estudi de la relació entre energia i entropia és el que estudia la termodinàmica tècnica. Engloba tot un conjunt de teories que relacionen propietats macroscòpiques mesurables (temperatura, pressió i volum) amb l'energia i la seva capacitat per fer treball.
Introducció
Els conceptes de calor i temperatura són els més fonamentals per a la termodinàmica tècnica. Es pot anomenar la ciència de tots els fenòmens que depenen de la temperatura i dels seus canvis. En la física estadística, de la qual ara forma part, és una de les grans teories en què es basa la comprensió actual de la matèria. Un sistema termodinàmic es defineix com una quantitat de matèria d'una massa i identitat fixes. Tot allò extern és l'entorn del qual està separat per límits. Les aplicacions de la termodinàmica tècnica inclouen construccions com ara:
- aire condicionat i neveres;
- turbocompressors i sobrealimentadors en motors d'automoció;
- turbines de vapor a les centrals elèctriques;
- reactiumotors d'avions.
Calor i temperatura
Cada persona té un coneixement intuïtiu del concepte de temperatura. El cos està calent o fred, segons si la seva temperatura és més o menys alta. Però la definició exacta és més difícil. En la termodinàmica tècnica clàssica es va definir la temperatura absoluta d'un cos. Va conduir a la creació de l'escala Kelvin. La temperatura mínima per a tots els cossos és zero Kelvin (-273, 15 °C). Aquest és zero absolut, el concepte del qual va aparèixer per primera vegada l'any 1702 gràcies al físic francès Guillaume Amonton.
La calor és més difícil de definir. La termodinàmica tècnica ho interpreta com una transferència aleatòria d'energia del sistema al medi extern. Correspon a l'energia cinètica de les molècules que es mouen i estan sotmeses a impactes aleatoris (moviment brownià). L'energia transmesa s'anomena desordenada a nivell microscòpic, a diferència de l'ordenada, feta mitjançant el treball a nivell macroscòpic.
Estat de la matèria
Un estat de la matèria és una descripció del tipus d'estructura física que presenta una substància. Té propietats que descriuen com un material manté la seva estructura. Hi ha cinc estats de la matèria:
- gas;
- líquid;
- cos sòlid;
- plasma;
- superfluid (el més rar).
Moltes substàncies es poden moure entre les fases gasoses, líquides i sòlides. El plasma és un estat especial de la matèriacom un llamp.
Capacitat de calor
La capacitat calorífica (C) és la relació entre el canvi de calor (ΔQ, on el caràcter grec Delta significa quantitat) i el canvi de temperatura (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ella mostra la facilitat amb què s'escalfa la substància. Un bon conductor tèrmic té una capacitat baixa. Aïllant tèrmic fort amb gran capacitat de calor.
Terminologia
Cada ciència té el seu propi vocabulari únic. Els conceptes bàsics de la termodinàmica tècnica inclouen:
- La transferència de calor és l'intercanvi mutu de temperatures entre dues substàncies.
- Enfocament microscòpic: estudi del comportament de cada àtom i molècula (mecànica quàntica).
- Enfocament macroscòpic: observació del comportament general de moltes partícules.
- El sistema termodinàmic és la quantitat de substància o àrea a l'espai escollida per a la investigació.
- Medi ambient: tots els sistemes externs.
- Conducció: la calor es transfereix a través d'un cos sòlid escalfat.
- Convecció: les partícules escalfades retornen la calor a una altra substància.
- Radiació: la calor es transmet a través d'ones electromagnètiques, com ara les del sol.
- Entropia: en termodinàmica és una magnitud física utilitzada per caracteritzar un procés isotèrmic.
Més sobre ciència
La interpretació de la termodinàmica com una disciplina separada de la física no és del tot correcta. Afecta gairebé totàrees. Sense la capacitat del sistema d'utilitzar l'energia interna per treballar, els físics no tindrien res a estudiar. També hi ha algunes àrees de termodinàmica molt útils:
- Enginyeria tèrmica. Estudia dues possibilitats de transferència d'energia: el treball i la calor. Associat a l'avaluació de la transferència d'energia en la substància de treball de la màquina.
- Criofísica (criogènia): la ciència de les baixes temperatures. Explora les propietats físiques de les substàncies en condicions experimentades fins i tot a la regió més freda de la Terra. Un exemple d'això és l'estudi dels superfluids.
- La hidrodinàmica és l'estudi de les propietats físiques dels líquids.
- Física de les altes pressions. Explora les propietats físiques de les substàncies en sistemes de pressió extremadament alta relacionades amb la dinàmica de fluids.
- La meteorologia és l'estudi científic de l'atmosfera que se centra en els processos meteorològics i la predicció.
- Física del plasma: l'estudi de la matèria en estat de plasma.
Llei zero
El tema i el mètode de la termodinàmica tècnica són observacions experimentals escrites en forma de lleis. La zero llei de la termodinàmica estableix que quan dos cossos tenen la mateixa temperatura amb un tercer, al seu torn tenen la mateixa temperatura entre ells. Per exemple: un bloc de coure es posa en contacte amb un termòmetre fins que la temperatura sigui igual. Després s'elimina. El segon bloc de coure es posa en contacte amb el mateix termòmetre. Si no hi ha cap canvi en el nivell de mercuri, podem dir que els dos blocs estan dinsequilibri tèrmic amb un termòmetre.
Primera llei
Aquesta llei estableix que a mesura que el sistema experimenta un canvi d'estat, l'energia pot travessar el límit ja sigui com a calor o com a treball. Cadascun d'ells pot ser positiu o negatiu. El canvi d'energia neta d'un sistema és sempre igual a l'energia neta que travessa el límit del sistema. Aquest últim pot ser intern, cinètic o potencial.
Segona llei
S'utilitza per determinar la direcció en què pot tenir lloc un procés tèrmic concret. Aquesta llei de la termodinàmica estableix que és impossible crear un dispositiu que funcioni en cicle i que no produeixi cap altre efecte que no sigui transferir calor d'un cos amb una temperatura més baixa a un cos més calent. De vegades s'anomena llei de l'entropia perquè introdueix aquesta propietat important. L'entropia es pot considerar com una mesura de la proximitat d'un sistema a l'equilibri o al desordre.
Procés tèrmic
El sistema pateix un procés termodinàmic quan es produeix algun tipus de canvi d'energia, normalment associat a la transformació de pressió, volum, temperatura. Hi ha diversos tipus específics amb propietats especials:
- adiabàtic: no hi ha intercanvi de calor al sistema;
- isocòric: sense canvis de volum;
- isobàric: sense canvis en la pressió;
- isotèrmica: sense canvis de temperatura.
Reversibilitat
Un procés reversible és aquell que, després d'haver tingut lloc, pot sercancel·lat. No deixa cap canvi ni en el sistema ni en l'entorn. Per ser reversible, el sistema ha d'estar en equilibri. Hi ha factors que fan que el procés sigui irreversible. Per exemple, la fricció i l'expansió desbocada.
Aplicació
Molts aspectes de la vida de la humanitat moderna es construeixen sobre els fonaments de l'enginyeria tèrmica. Aquests inclouen:
- Tots els vehicles (cotxes, motos, carros, vaixells, avions, etc.) funcionen sobre la base de la segona llei de la termodinàmica i el cicle de Carnot. Poden utilitzar un motor de gasolina o dièsel, però la llei segueix sent la mateixa.
- Els compressors d'aire i gas, els bufadors i els ventiladors funcionen amb diferents cicles termodinàmics.
- L'intercanvi de calor s'utilitza en evaporadors, condensadors, radiadors, refrigeradors i escalfadors.
- Refrigeradors, congeladors, sistemes de refrigeració industrial, tot tipus de sistemes d'aire condicionat i bombes de calor funcionen per la segona llei.
La termodinàmica tècnica també inclou l'estudi de diversos tipus de centrals elèctriques: tèrmiques, nuclears, hidroelèctriques, basades en fonts d'energia renovables (com ara solar, eòlica, geotèrmica), marees, onades i altres.
