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Ingeniería Termodinámica
La termodinámica es el estudio de las propiedades de los sistemas materiales en equilibrio en fenómenos térmicos, estableciendo la relación de equilibrio de energía, y Una disciplina que interactúa con el mundo exterior cuando los estados cambian.
La termodinámica de la ingeniería es la primera rama de la termodinámica. Estudia principalmente las leyes y aplicaciones de la conversión mutua de la energía térmica, la energía mecánica y otras energías. Es una de las materias básicas importantes de la ingeniería mecánica.
La tarea básica de la ingeniería termodinámica es mejorar y perfeccionar los ciclos de trabajo de motores térmicos, refrigeradores y bombas de calor mediante el análisis e investigación de sistemas térmicos, balances térmicos, estados térmicos, procesos térmicos, ciclos térmicos y fluidos de trabajo y mejorar la tasa de utilización de la energía térmica y la eficiencia de conversión de calor y trabajo.
Por lo tanto, es necesario partir de las leyes básicas de la termodinámica para explorar las características de diversos procesos termodinámicos; estudiar las propiedades termofísicas de gases y líquidos, así como las leyes de cambios de fase como la evaporación y condensación; también es necesario analizar ciertos tipos de refrigeradores Estudiar las propiedades de la solución. La termodinámica de ingeniería moderna también incluye procesos de reacción química como la combustión, procesos físicos y químicos como la disolución, absorción o desorción, e implica el conocimiento básico de la termodinámica química.
La termodinámica de la ingeniería es una teoría macroscópica sobre los fenómenos térmicos, y sus métodos de investigación son macroscópicos. Se basa en la primera ley, la segunda ley y la tercera ley de la termodinámica derivadas de resumir innumerables hechos. Estudia fenómenos macroscópicos y fenómenos a través de parámetros macroscópicos como la presión, la temperatura y el volumen específico y comportamientos generales como el calentamiento, el enfriamiento y la expansión. y contracción.
Este método confirma propiedades específicas relacionadas con la estructura interna de la materia como datos físicos reales macroscópicos. No requiere ninguna suposición sobre la microestructura de la materia, por lo que los resultados del análisis y el razonamiento son altamente confiables y claros. sexo. Ésta es su ventaja única.
Los humanos antiguos aprendieron durante mucho tiempo a hacer y utilizar el fuego, pero luego se centraron en explorar la naturaleza de los fenómenos fríos y calientes. Pero hasta finales de 2017, la gente no podía distinguir correctamente la esencia de los dos conceptos básicos de temperatura y calor. Según la popular "teoría calórica" de la época, la gente creía erróneamente que la alta temperatura de los objetos se debía al almacenamiento de una gran cantidad de "masa térmica". El establecimiento de la escala de temperatura Fahrenheit 1709 ~ 1714 y la escala de temperatura Celsius 1742 ~ 1745 convirtió la medición de temperatura en un estándar reconocido. Posteriormente, se desarrolló la tecnología calorimétrica, que proporcionó medios experimentales para la observación científica de los fenómenos térmicos y colocó a la termodinámica en el camino de la ciencia experimental moderna.
En 1798, Langford observó que al perforar el cañón de una pistola con una broca, se consumía trabajo mecánico, lo que provocaba que la broca y el cañón de la pistola se calentaran. En 1799, el inglés David frotó dos trozos de hielo entre sí y provocó que la superficie se derritiera, lo que obviamente no podía explicarse mediante la teoría térmica. En 1842, Meyer propuso la teoría de la conservación de la energía, creyendo que el calor es una forma de energía que se puede convertir en energía mecánica. El equivalente mecánico del calor se puede calcular a partir de la diferencia entre la capacidad calorífica específica a presión constante y el calor específico. Capacidad del aire a volumen constante.
El físico británico Joule estableció el concepto de equivalente de calor eléctrico en 1840, y utilizó diferentes métodos para medir el equivalente mecánico de calor a partir de 1842. En 1850, los resultados experimentales de Joule hicieron que la comunidad científica abandonara por completo la "teoría calórica". La primera ley reconocida de la termodinámica, la conservación de la energía y la intercambiabilidad de las formas de energía son leyes objetivas de la naturaleza. La unidad de energía, el julio, lleva su nombre.
La formación de la termodinámica estuvo relacionada con la urgente necesidad de encontrar un motor térmico eficiente y de gran escala razonable en la práctica de producción en ese momento. En 1824, el francés Carnot propuso el famoso teorema de Carnot, que señalaba el límite de eficiencia que puede alcanzar una máquina térmica cuando funciona dentro de un rango de temperatura determinado, estableciendo esencialmente la segunda ley de la termodinámica. Pero afectado por la "teoría calórica", su método de prueba sigue siendo incorrecto. En 1848, el ingeniero británico Kelvin calculó la escala de temperatura termodinámica basándose en el teorema de Carnot. En 1850 y 1851, Clausius y Kelvin de Alemania propusieron la segunda ley de la termodinámica y volvieron a demostrar el teorema de Carnot sobre esta base.
De 1850 a 1854, Clausius propuso y desarrolló el concepto de entropía basándose en el teorema de Carnot.
La confirmación de la primera y segunda leyes de la termodinámica llevó a la conclusión científica de la imposibilidad de realizar los dos tipos de máquinas de movimiento perpetuo y formó formalmente la teoría macroscópica de la termodinámica de los fenómenos termodinámicos. Al mismo tiempo, se formó la ciencia técnica de la "termodinámica de ingeniería", que se convirtió en la base teórica para estudiar los principios de funcionamiento de los motores térmicos y logró un rápido desarrollo en motores de combustión interna, turbinas de vapor, turbinas de gas, hélices a reacción, etc.
Al mismo tiempo, en el proceso de aplicación de la teoría termodinámica para estudiar las propiedades de la materia, se desarrolló la teoría matemática de la termodinámica, se encontraron las funciones termodinámicas correspondientes que reflejan diversas propiedades de la materia y los cambios de fase. , Se estudiaron reacciones químicas y soluciones de la materia. Se siguieron varias leyes en las características. En 1906, Nernst descubrió el teorema de la termodinámica mientras observaba fenómenos de baja temperatura y reacciones químicas. En 1912, este teorema se modificó y se convirtió en una expresión para la tercera ley de la termodinámica.
Desde principios del siglo XX, se han logrado nuevos resultados en la investigación de propiedades físicas como la presión ultraalta, el vapor de agua a temperatura ultraalta y la temperatura ultrabaja. A medida que la gente presta atención a las cuestiones energéticas, la investigación sobre ciclos compuestos y nuevos fluidos de trabajo compuestos relacionados con la conservación de energía ha despertado un gran interés.