ترمودینامیک رشته‌ای از فیزیک است که به مطالعه گرما، کار و دما و همچنین روابط آنها با انرژی، تابش و ویژگی‌های فیزیکی ماده می‌پردازد. این برای انواع علوم و موضوعات مهندسی مانند مهندسی شیمی، آموزش تاسیسات و مکانیک کاربرد دارد. این شاخه اساساً به دلیل تمایل به بهبود کارایی موتورهای بخار ایجاد شد.
gartenmöbel design
bettwäsche tom und jerry
planeta sport muske patike novi pazar
giorgio armani sport
adidas beckenbauer trening
bomber jakke burgunder
гуми 18 цола
esprit round sunglasses
liemenes mergaitems
windows wont connect to iphone usb
چهار قانون اصلی ترمودینامیک رفتار این کمیت‌ها را کنترل می‌کنند که توصیف کمی با استفاده از ویژگی‌های فیزیکی ماکروسکوپی قابل اندازه‌گیری ارائه می‌دهند، اما ممکن است توسط مکانیک آماری از نظر اجزای میکروسکوپی توصیف شوند.
از آنجا که گرما و کار به طور جدایی ناپذیری به هم مرتبط هستند، ترمودینامیک به عنوان مطالعه انرژی تعریف می شود. از آنجایی که انرژی یک جنبه حیاتی از زندگی ما است، همه ما باید ترمودینامیک را درک کنیم. ترمودینامیک یک رشته ضروری در فیزیک و شیمی است که در آن موضوع انرژی و همچنین انتقال انرژی به منابع مختلف و توانایی کارکرد انرژی مورد بررسی قرار گرفته است. قانون اول ترمودینامیک کاربرد نظریه بقای انرژی برای گرما و سیستم های ترمودینامیکی است، قانون اول از مفاهیم اساسی انرژی داخلی، گرما و کار دستگاه استفاده می کند. اغلب در زمینه موتورهای حرارتی استفاده می شود.
مطالعه و محاسبات ترمودینامیک شامل قانون صفر ترمودینامیک، قانون اول ترمودینامیک، قانون دوم ترمودینامیک، قانون سوم ترمودینامیک، قانون بویل و قانون چارلز به همراه خواص و عملکردهای مختلف قانون سوم ترمودینامیک مربوط به اصطلاح دیگری به نام آنتروپی است.
موارد محاسبات ترمودینامیک
ماشین ها، موتور سیکلت ها، کامیون ها، کشتی ها، هواپیماها و انواع وسایل نقلیه دیگر خواه از موتور بنزینی یا دیزلی استفاده کنند همگی با استفاده از قانون دوم ترمودینامیک و چرخه کارنو کار می کنند. قانون دوم ترمودینامیک برای تمامی یخچال ها، فریزرها، سیستم های تبرید صنعتی، انواع سیستم های تهویه مطبوع،آموزش HVAC پمپ های حرارتی و غیره صدق می کند.
چرخه‌های ترمودینامیکی بر عملکرد تمامی اشکال کمپرسورهای هوا و گاز، دمنده‌ها و فن‌ها نظارت می‌کنند.
انتقال حرارت یکی از مباحث مهم ترمودینامیک است که به انتقال گرما بین دو محیط می پردازد. رسانایی، همرفت و تشعشع سه مکانیسم انتقال حرارت هستند. انتقال حرارت در دستگاه‌های مختلفی مانند مبدل‌های حرارتی، اواپراتورها، کندانسورها، رادیاتورها، کولرها و بخاری‌ها و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نیروگاه های حرارتی، نیروگاه های هسته ای، نیروگاه های برق آبی و نیروگاه های مبتنی بر منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشیدی، باد، زمین گرمایی، جزر و مد و امواج آب همگی در ترمودینامیک مورد مطالعه قرار می گیرند.
مطالعه امکان سنجی استفاده از اشکال مختلف منابع انرژی تجدیدپذیر برای مصارف خانگی و تجاری موضوع مهمی در محاسبات ترمودینامیک است.
عرق کردن در یک اتاق شلوغ: در یک اتاق شلوغ، همه (هر فردی) شروع به عرق کردن می کنند. بدن با انتقال گرمای بدن به عرق شروع به خنک شدن می کند. عرق تبخیر می شود و گرما را به اتاق اضافه می کند. باز هم به دلیل قانون اول و دوم ترمودینامیک در عمل این اتفاق می افتد. نکته ای که باید در نظر داشت این است که گرما از بین نمی رود بلکه با رسیدن به تعادل با حداکثر آنتروپی منتقل می شود.
ذوب یخ: تکه های یخ در نوشیدنی گرمای نوشیدنی را جذب می کند و نوشیدنی را خنک تر می کند. اگر نوشیدن آن را فراموش کنیم پس از مدتی دوباره با جذب گرمای جوی به دمای اتاق می رسد. همه اینها طبق قانون اول و دوم ترمودینامیک اتفاق می افتد.
آنالیز ترمودینامیکی
تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی می تواند معیارهای عملکردی مختلف مانند تعادل حرارتی، معادلات تعادل، روابط جنبشی و معادلات حالت را محاسبه کند. بهینه سازی به دنبال بهترین راه حل تحت محدودیت های خاص است. برخی از روش ها عبارتند از برنامه ریزی خطی و غیرخطی، برنامه ریزی پویا و اصل حداکثر.
پیچیدگی مسئله بهینه سازی به پیچیدگی قیودها بستگی دارد که ممکن است به صورت جبری، دیفرانسیل و انتگرالی باشد. برای مسائل بهینه سازی استاتیک محدودیت ها جبری هستند، برای مسائل متغیر یا بهینه سازی دینامیکی محدودیت ها معادلات دیفرانسیل هستند.
از تجزیه و تحلیل قانون دوم و تجزیه و تحلیل اگزرژی برای ارزیابی سیستم ها استفاده می شود. تجزیه و تحلیل قانون دوم مبتنی بر تعیین تولید آنتروپی به دلیل برگشت ناپذیری در سیستم است. تجزیه و تحلیل می تواند تعیین کند که آیا یک طرح موجود برای یک شرایط عملیاتی خاص از نظر ترمودینامیکی قابل اجرا است یا نه. با تغییر شرایط عملیاتی، گاهی اوقات، مطلوب است که تولید آنتروپی به طور مساوی در طول متغیرهای فضا و یا زمان در سیستم به حداقل برسد یا توزیع شود تا به یک بهینه ترمودینامیکی برسد. نسبت های توزیع تولید آنتروپی به ویژه در نمایش مبادله بین منابع برگشت ناپذیری در سیستم مفید است.
معادلات حالت
معادله حالت برای یک ماده، اطلاعات اضافی مورد نیاز برای محاسبه مقدار کاری را که ماده در انتقال از یک حالت تعادل به حالت دیگر در طول مسیر مشخصی انجام می دهد، ارائه می دهد. معادله حالت به عنوان یک رابطه عملکردی بیان می شود که پارامترهای مختلف مورد نیاز برای مشخص کردن وضعیت سیستم را به هم متصل می کند. مفاهیم اولیه برای همه سیستم های ترمودینامیکی صدق می کند، برای مشخص شدن بحث، گاز ساده داخل سیلندر با پیستون متحرک در نظر گرفته می شود. سپس معادله حالت به شکل یک معادله مربوط به P، V و T است، به طوری که اگر هر دو مشخص شود، سومی مشخص می شود. در محدوده فشارهای پایین و دماهای بالا، جایی که مولکول‌های گاز تقریباً مستقل از یکدیگر حرکت می‌کنند، همه گازها از معادله‌ای پیروی می‌کنند که به عنوان قانون گاز ایده‌آل شناخته می‌شود: PV = nRT، که در آن n تعداد مول‌های گاز است. R ثابت جهانی گاز و برابر با 8.3145 ژول بر K است. در سیستم بین المللی واحدها، انرژی بر حسب ژول، حجم بر حسب متر مکعب (m3)، نیرو بر حسب نیوتن (N) و فشار بر حسب پاسکال (Pa) اندازه گیری می شود. که در آن Pa = 1 N/m2. نیروی یک نیوتن که در فاصله یک متری حرکت می کند یک ژول کار می کند. بنابراین، هر دو محصول PV و RT دارای ابعاد کار (انرژی) هستند. یک نمودار P-V معادله حالت را به شکل گرافیکی برای چندین دما مختلف نشان می دهد.
قانون اول ترمودینامیک
بیان قوانین ترمودینامیک ساده است، اما محاسبات ترمودینامیکی آن بسیار گسترده است. قانون اول بیان می کند که اگر گرما به عنوان شکلی از انرژی شناخته شود، انرژی کل یک سیستم به اضافه محیط اطراف آن حفظ می شود. به عبارت دیگر، انرژی کل جهان ثابت می ماند.
قانون اول با در نظر گرفتن جریان انرژی در سراسر مرزی که یک سیستم را از محیط اطرافش جدا می کند، عملی می شود. مثال کلاسیک گاز محصور در یک سیلندر با پیستون متحرک را در نظر بگیرید. دیواره‌های سیلندر به‌عنوان مرزی عمل می‌کنند که گاز داخل را از دنیای بیرون جدا می‌کند، و پیستون متحرک مکانیزمی را برای گاز فراهم می‌کند که با انبساط در برابر نیرویی که پیستون را در جای خود نگه می‌دارد (بدون اصطکاک) کار کند. اگر گاز در حین انبساط، گرمای Q را از محیط اطراف خود از طریق دیواره‌های سیلندر جذب کند، کاری به مقدار W انجام می دهد. آنگاه این مربوط به جریان خالص انرژی W – Q در سراسر مرز به اطراف است که برابر با تغییرات انرژی داخلی ΔU در نظر گرفته می شود:
ΔU = Q – W
در تعریفی دیگر قانون اول ترمودینامیک، انرژی داخلی گاز را ارائه می دهد که در آن تغییر در حساب انرژی (ΔU) برابر است با تفاوت بین انرژی ورودی سیستم (Q) و انرژی مفید خروجی سیستم (W).
تمایز مهمی بین کمیت ΔU و کمیت های انرژی مرتبط Q و W وجود دارد. از آنجایی که انرژی داخلی U به طور کامل توسط کمیت ها (یا پارامترهایی) مشخص می شود که به طور منحصر به فرد وضعیت سیستم در حالت تعادل را تعیین می کند، گفته می شود که یک تابع حالت به گونه ای که هر تغییر در انرژی به طور کامل توسط حالت های اولیه (i) و نهایی (f) سیستم تعیین می شود: ΔU = Uf – Ui. با این حال، Q و W توابع حالت نیستند. همانطور که در مثال یک بالون در حال ترکیدن، گاز داخل ممکن است برای رسیدن به حالت منبسط نهایی خود، هیچ کاری انجام ندهد، یا با انبساط در داخل یک سیلندر با پیستون متحرک برای رسیدن به همان حالت نهایی، حداکثر کار را انجام دهد. تنها چیزی که لازم است این است که تغییر انرژی (ΔU) ثابت بماند. بنابراین، Q و W توابع حالت نیستند، زیرا مقادیر آنها به فرآیند یا مسیر خاصی بستگی ندارد.
تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی
تحلیل ترمودینامیکی می تواند به درک بهتر عملکرد کلی سیستم و در نهایت شناسایی منابع تلفات ناشی از برگشت ناپذیری در هر فرآیند در سیستم های آموزشگاه فنی منجر شود. این تضمین نمی کند که اصلاحات اقتصادی و مفید فرآیند یا تغییرات عملیاتی انجام شود. رابطه بین بهره وری انرژی و هزینه سرمایه باید بر اساس تجزیه و تحلیل سیستم کلی نیروگاه باشد و گاهی اوقات بهبود بهره وری انرژی به سرمایه گذاری بیشتر از آنچه امکان پذیر است نیاز دارد. به طور عمده، روش‌های تحلیل ترمودینامیکی آنالیز پینچ، آنالیز اگزرژی، آنالیز قانون دوم و اصول هم‌تقسیم برای تجزیه و تحلیل سیستم‌های فرآیند و انرژی ترکیب می‌شوند. بسته‌های شبیه‌سازی فرآیند، مانند Aspen Plus و Hysys، ممکن است به بهبود بازده ترمودینامیکی کمک کنند. این مهندسین را قادر می سازد تا سیستم های موجود را اصلاح کنند یا سیستم های جدید را با اهداف و اهداف کامل با در نظر گرفتن نگرانی های زیست محیطی و منابع طبیعی طراحی کنند.
برای در نظر گرفتن اثرات زیست محیطی به روشی سیستماتیک تر، یک کمیت کننده مبتنی بر منبع، به نام “اگزرژی توسعه یافته”، ارزش مبتنی بر منبع یک کالا را تخمین می زند. یک فرآیند جداسازی با خروجی های حاوی جریان های داغ با مواد شیمیایی مختلف را در نظر بگیرید که شرایط به طور قابل توجهی متفاوت از دماها و غلظت های محیطی دارند. برای دستیابی به اثرات زیست محیطی صفر، یک هزینه واقعی (اگزرژیک) ضربه صفر وجود دارد که مطابق با اگزرژی توسعه یافته است که به طور ایده آل برای رساندن شرایط پساب به شرایط تعادل حرارتی و شیمیایی با محیط اطراف مورد نیاز است. اگر سطح قابل قبولی از آلاینده یا “محدودیت اثرات زیست محیطی قابل تحمل” برای یک آلاینده خاص مشخص شود، ممکن است هزینه زیست محیطی کمی محاسبه شود.
تجزیه و تحلیل ترمودینامیک منجر به استفاده از تغییرات انرژی داخلی و انرژی آزاد گیبس به عنوان معیارهایی می شود که تعیین می کند آیا تبدیل فاز تحت بارگذاری میدان خارجی ترکیبی انجام می شود یا خیر. سطوح انرژی بحرانی مستقل از ترکیب تنش اعمال شده و میدان الکتریکی مشخص شد. معیارهای انرژی مبتنی بر اندازه‌گیری‌های تجربی، پارامترهای مهمی را برای مدل‌سازی نظری فراهم می‌کنند. توسعه مدل‌های سازنده برای مواد فروالکتریک و اجرای آنها امکان حل مشکلاتی را که در کاربردهای این مواد با آن مواجه می‌شوند را فراهم می‌کند.
مدل‌هایی در مقیاس‌های طولی مختلف، محاسن خود را دارند. از مدل‌سازی اتمی تا دینامیک دیوار حوزه و رویکردهای میدان فاز، از مدل‌های میکروسکوپی تا محاسبات ماکروسکوپی (ساختاری)، پارامترهای مواد به عنوان ورودی مورد نیاز هستند. معیارها و پارامترهای انرژی بر اساس اندازه‌گیری‌ها به نظر می‌رسد پل‌هایی هستند که مدل‌ها را در مقیاس‌های طولی مختلف به هم متصل می‌کنند و به مدل‌های چند مقیاسی قابل اعتماد دست می‌یابند.
قانون دوم و تحلیل اگزرژی
طبق قانون دوم ترمودینامیک، گرما همیشه از جسمی با دمای بالاتر به جسمی با دمای پایین تر جریان می یابد. این قانون برای انواع سیکل های موتور حرارتی اعم از اتو، دیزل و غیره برای انواع سیالات کاری مورد استفاده در موتورها قابل اجرا است. این قانون باعث پیشرفت خودروهای امروزی شده است.
کاربرد دیگر این قانون یخچال ها و پمپ های حرارتی بر اساس چرخه کارنو معکوس است. اگر می خواهید گرما را از جسمی با دمای پایین تر به جسمی با دمای بالاتر منتقل کنید، باید کار خارجی را تامین کنید. در چرخه اصلی کارنو، گرما کار تولید می‌کند، در حالی که در چرخه کارنو معکوس، کار برای انتقال گرما از مخزن دمای پایین‌تر به مخزن دمای بالاتر ارائه می‌شود.
حذف گرما از مواد غذایی در یخچال در دمای بالاتر به طور خودکار اتفاق نمی افتد. ما باید کار خارجی را از طریق کمپرسور تامین کنیم تا این اتفاق در یخچال رخ دهد.
تهویه مطبوع و پمپ حرارتی از قانون ترمودینامیک مشابه پیروی می کنند. کولر گازی گرما را از اتاق خارج می کند و با دفع گرمای جذب شده به اتمسفر آن را در دمای پایین تری حفظ می کند. پمپ حرارتی گرما را از جو جذب می کند و آن را به اتاقی که در زمستان خنک تر است، می رساند.
در هر دو مورد فوق، کار و انرژی خارجی به شکل برق باید تامین شود. هرچه اختلاف دما بیشتر باشد، کار خارجی مورد نیاز بیشتر است.
تجزیه و تحلیل اگزرژی انحراف از حالت مرجع را به صورت کمی تعیین می کند. سطح برگشت ناپذیری فرآیندهای در نظر گرفته شده یا تخریب اگزرژی در سیستم را نشان می دهد. اکثر سیستم های حرارتی دارای ورودی های اگزرژی ناشی از مصرف سوخت فسیلی هستند و تلفات اگزرژی به هدر رفتن این منابع مربوط می شود. تعادل اگزرژی می‌تواند به شناسایی مکان‌ها، انواع و بزرگی‌های اتلاف منابع انرژی و در نتیجه توسعه طرح‌هایی برای استفاده کارآمدتر از منابع کمک کند. بر اساس تخریب اگزرژی، ممکن است تصمیم بگیریم که آیا تغییرات در فرآیند منجر به صرفه جویی قابل توجهی در انرژی می شود یا خیر. تجزیه و تحلیل اگزرژی تجزیه و تحلیل انرژی را برای به دست آوردن طراحی بهینه یا عملیات بهینه در مفهوم ترمودینامیکی کامل می کند. راندمان اگزرژی را می توان برای ارزیابی عملکرد با مقایسه بازده قبل و بعد از اصلاحات استفاده کرد. 100% راندمان اگزرژی، جایی که تخریب اگزرژی صورت نمی گیرد و نباید به عنوان یک هدف عملی در نظر گرفته شود. در کاربردهای عملی، معمولاً تصمیمات مربوط به کل هزینه ها گرفته می شود.
تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی می تواند به درک بهتر عملکرد کلی و در نهایت به شناسایی منابع تلفات ناشی از برگشت ناپذیری در هر فرآیند در سیستم منجر شود. این تضمین نمی کند که تغییرات مفید فرآیند یا تغییرات عملیاتی ایجاد شود. روابط بین بهره وری انرژی و هزینه سرمایه باید از تجزیه و تحلیل سیستم کلی نیروگاه ارزیابی شود و گاهی اوقات بهبود انرژی به سرمایه گذاری بیشتری نیاز دارد. با این حال، نشان داده شده است که تجزیه و تحلیل ترمودینامیک زمانی که برای سیستم هایی که در آن تبدیل انرژی کارآمد مهم است به کار گرفته شود، ارزش قابل توجهی دارد. تجزیه و تحلیل اگزرژی همچنین شایستگی تبدیل انرژی را در سلول های فیل یا توربین های گاز ارزیابی می کند.
محاسبات ترمو اقتصادی
اصول ترمودینامیک جریان، بقا، تبدیل و کیفیت انرژی را توصیف می کند و از این رو پیامدهایی برای مدیریت و اقتصاد انرژی دارد. همانطور که ترمودینامیکی جهت ها و محدودیت هایی را بر احتمال فرآیندها تحمیل می کند، همچنین مستلزم استفاده از منابع کمیاب است. اقتصاد فرآیندها همیشه شامل ماده، انرژی، آنتروپی و اطلاعات است. سؤال زیر از لحاظ تاریخی اقتصاد با ترمودینامیک مرتبط است: چقدر کار مکانیکی می توانیم از مقدار معینی از زغال سنگ بدست آوریم؟ اگزرژی یک اندازه گیری فیزیکی برای ارزش انرژی است و ترمودینامیک غیرتعادلی در اقتصاد نقش دارد. هدف فعالیت اقتصادی دستیابی به یک ساختار معین با حداقل هزینه کلی است و محاسبات ترمودینامیک غیرتعادلی آنتروپی و اگزرژی را در تشکیل ساختار و استفاده از انرژی معرفی می کند.
ترمودینامیک روابط بین عملکرد فرآیند و قوانین اول و دوم ترمودینامیک را شناسایی و توصیف می کند. کارایی را تعریف می کند که می تواند برای ارزیابی زیان های ناشی از برگشت ناپذیری ها یا هزینه ها از نظر اقتصادی استفاده شود. محاسبات ترمودینامیکی برای مقایسه و تبدیل بین انواع مختلف انرژی‌ها ضروری هستند، که ممکن است گامی ضروری در تحلیل انرژی خالص و بحث‌های سیاست انرژی باشد. نظریه مدرن ترمودینامیک و نظریه اطلاعات مفاهیم هم افزایی، تشکیل ساختار، تکامل را مطالعه می کند و ممکن است تغییرات اساسی در تکامل اقتصادی، طراحی و نگهداری فرآیندهای فیزیکی ایجاد کند.
سیستم های حرارتی شامل کار و یا برهمکنش های گرمایی قابل توجهی با محیط اطراف خود هستند و تقریباً در هر کارخانه صنعتی ظاهر می شوند. طراحی سیستم های حرارتی مستلزم استفاده از اصول ترمودینامیک، مکانیک سیالات، انتقال حرارت و اقتصاد مهندسی است. محاسبات ترمو اقتصادی معمولاً اگزرژی و اقتصاد را برای بهینه سازی طراحی و شرایط عملیاتی سیستم های حرارتی مرتبط می کند. بهینه سازی زیرسیستم ها به صورت جداگانه تضمین کننده بهینه برای سیستم کلی نیست و اغلب متغیرهای مختلف طراحی باید به طور همزمان در نظر گرفته و بهینه شوند. در بهینه سازی، هزینه منبع انرژی حرارتی نقش مهمی ایفا می کند.
اقتصاد فرآیندها همیشه شامل ماده، انرژی، آنتروپی و سایر پارامترهای ترمودینامیکی است و در نظر گرفتن اقتصاد منجر به ساختارهای خاصی با حداقل هزینه های کلی می شود. محاسبات ترمودینامیکی جهت‌ها و محدودیت‌هایی را بر احتمال فرآیندها تحمیل می‌کنند. آنها همچنین مستلزم استفاده از منابع کمیاب و مقایسه کارایی تبدیل بین انواع مختلف انرژی هستند که ممکن است گامی ضروری در تجزیه و تحلیل انرژی خالص و بحث های سیاست انرژی باشد. هرمواکونومیک اصول ترمودینامیکی را با تحلیل اقتصادی ترکیب می کند. بنابراین، ممکن است تغییرات اساسی در تکامل اقتصادی، طراحی و نگهداری فرآیندها ایجاد کند.
تغییر در هزینه سوخت از سالی به سال دیگر و از مکانی به مکان دیگر در نهایت بر طراحی کلی و در نتیجه ملاحظات اقتصادی تاثیر می گذارد. وب سایت وزارت انرژی ایالات متحده، “صرفه جویی در انرژی برای مدیران و مهندسان کارخانه های صنعتی”، طیف گسترده ای از امکانات صرفه جویی در انرژی، مانند برنامه اقدام مدیریت انرژی را ارائه می دهد. مهندس فرآیند باید هزینه ورودی یک فرآیند را با کاهش تلفات اگزرژی به دلیل نقص ترمودینامیکی به حداقل برساند. با در نظر گرفتن چنین دیدگاهی، تحلیل ترمودینامیکی روابط متقابل بین انرژی، اقتصاد و اکولوژی را در نظر می گیرد. چنین ملاحظاتی ممکن است تأثیر مثبتی بر توسعه پایدار و حفاظت از محیط زیست داشته باشد. به عنوان مثال، یک تحلیل ترمودینامیکی یک واحد نمک‌زدایی خورشیدی نشان می‌دهد که ارزیابی ترمواقتصادی سیستم ارتباط نزدیکی با یک تحلیل اقتصادی کامل از بهبودهای احتمالی دارد که منجر به واحدی می‌شود که در آن فرآیندهای برگشت‌ناپذیر کمتری اتفاق می‌افتد.
منابع:
https://sci-hub.ru/https://doi.org/10.1016/B978-044450886-7/50007-2
https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/thermodynamic-analysis
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780444530790500079
https://www.toppr.com/guides/chemistry/thermodynamics/applications-of-thermodynamics/
https://www.britannica.com/science/thermodynamics/The-second-law-of-thermodynamics
