Starea agregată - starea unei substanțe caracterizată de anumite proprietăți calitative: abilitatea sau incapacitatea de a păstra volumul și forma, prezența sau absența ordinelor cu rază lungă de acțiune și a distanței scurte și altele. Modificarea stării agregate poate fi însoțită de o schimbare bruscă a energiei libere, a entropiei, a densității și a altor proprietăți fizice de bază.
Există trei stări agregate principale: solide, lichide și gaze. Uneori nu este complet corect ca stările agregate să includă plasmă. Există și alte stări agregate, de exemplu, cristale lichide sau condens condensat Bose-Einstein.
Definițiile statelor agregate nu sunt întotdeauna stricte. Astfel, există corpuri amorfe care rețin structura lichidului și posedă puțină fluiditate și capacitatea de a reține forma; cristalele lichide sunt fluide, dar au unele proprietăți de solide, în special, ele pot polariza radiația electromagnetică care trece prin ele.
Starea agregată depinde de condițiile fizice în care se află substanța. Existența mai multor stări agregate în substanță se datorează diferențelor în mișcarea termică a moleculelor (atomilor) și interacțiunii lor în condiții diferite.
Gazul este starea agregată a unei substanțe în care particulele nu sunt legate sau foarte slab legate de forțele de interacțiune; energia cinetică termică a mișcării particulelor sale (molecule, atomi) depășește substanțial energia potențială a interacțiunilor dintre acestea, astfel încât particulele se deplasează aproape liber, umplerea în întregime a navei, în care sunt și să ia forma. Orice substanță poate fi transformată în presiune și temperatură în stare gazoasă.
Lichidul este o stare agregată de materie intermediară între solid și gazos. Se caracterizează printr-o mobilitate ridicată a particulelor și un mic spațiu liber între ele. Acest lucru duce la faptul că lichidele își păstrează volumul și iau forma unui vas. În același timp, lichidul are un număr de proprietăți inerente, dintre care una este fluiditatea.
Într-un lichid, moleculele sunt plasate foarte aproape una de cealaltă. Prin urmare, densitatea lichidului este mult mai mare decât densitatea gazelor (la presiune normală). Proprietățile lichidului în toate direcțiile sunt identice (izotropice), cu excepția cristalelor lichide.
Atunci când densitatea este încălzită sau scăzută, proprietățile lichidului, conductivitatea termică, schimbarea vâscozității, de regulă, spre convergența cu proprietățile gazelor.
Mișcarea termică a moleculelor lichide constă într-o combinație de mișcări colective de vibrație și salturi moleculare ocazionale de la o poziție de echilibru la alta.
Corpurile solide sunt o stare agregată de materie, caracterizată prin stabilitatea formei și a caracterului mișcării termice a atomilor. Această mișcare provoacă vibrații de atomi (sau ioni), din care se compune un solid. Amplitudinea oscilațiilor este de obicei mică în comparație cu distanțele interatomice.
Structura solidelor este variată, dar, totuși, ele pot fi împărțite în cristale și corpuri amorfe.
În cristale, atomii (sau ionii) sunt localizați în spațiu la nodurile rețelei cristaline și oscilează în jurul lor. Periodicitatea strictă în aranjarea atomilor duce la conservarea ordinii la distanțe mari.
În corpurile amorfe, atomii oscilează în jurul punctelor localizate haotic. Proprietățile corpurilor amorfe: ele sunt izotropice, nu au un punct de topire constant, au fluiditate.
Prin tipurile de legături chimice, solidele sunt împărțite în trei clase, fiecare caracterizată printr-o anumită distribuție spațială a electronilor: 1) cristale ionice (NaCl, KaCl); 2) covalent (diamant, Ge, Si); 3) metalic.
Structura cristalină a solidelor depinde de forțele care acționează între atomi și particule. Acelasi atomi pot forma diferite structuri - staniu gri si alb, grafit si diamant.
Polimorfismul - capacitatea unor substanțe de a exista în stări cu structură atomică diferită (sulf, silice au mai mult de două modificări polimorfe).
Cristalele unice se numesc monocristale. În cristale unice, anumite proprietăți sunt anisotropice, adică depind de direcția (mecanică, optică și electrică). Anizotropia naturală este o caracteristică caracteristică a cristalelor; de exemplu, o placă de mică se împarte cu ușurință în frunze subțiri de-a lungul unui anumit plan (paralel cu acest plan, forțele de adeziune dintre particulele micii sunt cele mai mici).
Un corp solid format dintr-un număr mare de cristale mici se numește policristalină. Materialele policristaline sunt izotropice.
5) Tranziții mutuale între stările agregate
Modificările în starea agregată sunt procesele termodinamice, numite tranziții de fază. Următoarele sunt soiurile lor: de la solid la lichid - topire; de la lichid la gazos - evaporare și fierbere; de la solid la gaze - sublimare; de la condensare gazoasă la lichidă sau solidă; de la lichid la solid - cristalizare. O caracteristică distinctivă este absența unei limite ascuțite a tranziției la starea de plasmă.
Când tranzițiile de la o stare agregată la alta, după cum sa menționat deja mai sus, căldura este eliberată sau absorbită în mod necesar. Trecerea de la structuri mai ordonate la cele mai puțin ordonate necesită influx de căldură din exterior, cu tranziții inverse, aceeași cantitate de căldură este eliberată, care este absorbită în timpul unei tranziții directe.
Când starea modificărilor agregate, caracteristicile electrice ale substanței se schimbă dramatic. Deci, dacă metalul sub formă solidă sau lichidă este un conductor, atunci vaporii de metal sunt un dielectric tipic.
6) Legea conservării energiei în procesele termice
Legea conservării energiei este una dintre legile fundamentale ale naturii. În orice fenomen natural, energia nu poate să apară sau să dispară așa. Pur și simplu merge de la un tip la altul, în timp ce valoarea sa este întotdeauna păstrată.
Legea conservării energiei dezvăluie sensul fizic al conceptului de muncă.
Lucrarea forțelor gravitaționale și a forțelor elastice, pe de o parte, este egală cu creșterea energiei cinetice și, pe de altă parte, cu reducerea energiei potențiale a corpurilor.
În consecință, lucrarea este egală cu energia care sa schimbat de la o specie la alta.
Legea conservării energiei mecanice totale în procesele care implică forțe de elasticitate și forțe gravitaționale este una din legile fundamentale ale mecanicii. Cunoașterea acestei legi simplifică rezolvarea multor probleme care au o importanță majoră în viața practică.
Energia mecanică nu este reținută în nici o interacțiune a corpurilor. Legea conservării energiei mecanice nu este îndeplinită dacă forțele de frecare acționează între corpuri. O mașină care se deplasează de-a lungul unei secțiuni orizontale a drumului, după ce a oprit motorul, trece o anumită cale și se oprește sub acțiunea forțelor de frecare. Energia cinetică a mișcării translaționale a mașinii a devenit zero, iar energia potențială nu a crescut. Acest lucru înseamnă că energia cinetică a mașinii a dispărut fără urmă?
Experiența arată că mișcarea mecanică nu dispare niciodată fără urmă, și nu apare niciodată singură. În timpul frânării automobilului, plăcile de frână, anvelopele auto și asfaltul au fost încălzite. În consecință, ca urmare a forțelor de fricțiune, energia cinetică a mașinii nu a dispărut, ci a devenit energie internă a mișcării termice a moleculelor.
În orice interacțiune fizică, energia nu apare și nu dispare, ci doar se transformă dintr-o formă în alta.
7) Natura ireversibilă a proceselor termice
Prima lege a termodinamicii - legea conservării energiei pentru procesele termice - stabilește o legătură între cantitatea de căldură Q primită de sistem, schimbarea U din energia sa internă și de lucru A, perfectă față de corpurile externe.
Prima lege a termodinamicii nu stabilește direcția proceselor termice. Cu toate acestea, experiența arată că multe procese termice pot apărea numai într-o singură direcție. Astfel de procese sunt numite ireversibile. De exemplu, cu contactul termic al a două corpuri cu temperaturi diferite, fluxul de căldură este întotdeauna direcționat de la un corp mai cald la unul mai rece. Nu există niciodată un transfer spontan de căldură dintr-un corp cu temperatură scăzută către un corp cu o temperatură mai mare. În consecință, procesul de transfer de căldură la o diferență de temperatură finită este ireversibil.
Procesele reversibile sunt procesele de tranziție a unui sistem de la o stare de echilibru la alta, care poate fi realizată în direcția opusă prin aceeași secvență de stări de echilibru intermediare. În acest caz, sistemul însuși și corpurile înconjurătoare revin la starea inițială.
Procesele în care sistemul rămâne în echilibru tot timpul se numesc quasistatice. Toate procesele quasistatice sunt reversibile. Toate procesele reversibile sunt quasistatice.
Procesele de conversie a activității mecanice la energia internă a corpului sunt ireversibile din cauza frecării, procesele de difuzie in gaze si lichide, procesele de amestecare a gazului în prezența diferenței de presiune inițială, și așa mai departe. D. Toate procesele reale sunt ireversibile, dar poate în mod arbitrar îndeaproape apropie reversibil procese. Procesele reversibile sunt o idealizare a proceselor reale.
Prima lege a termodinamicii nu poate distinge între procesele reversibile și ireversibile. Pur și simplu necesită un anumit echilibru energetic din procesul termodinamic și nu spune nimic dacă un astfel de proces este posibil sau nu. Direcția proceselor spontane stabilește a doua lege a termodinamicii. Acesta poate fi formulat sub forma unei interdicții asupra anumitor tipuri de procese termodinamice.
8) Mașini termice, aplicarea acestora
Primul dispozitiv cunoscut, condus de abur, a fost descris de Geron de Alexandria în primul secol. Aburul care iese pe tangenta de la duzele fixate pe minge, a făcut ca acesta să se rotească. Turbina cu abur real a fost inventată mult mai târziu, în Egiptul medieval, de către filosoful araba, astronom și inginer al secolului al șaisprezecelea, Taki-ad-Din Mohammed (engleză). El a propus o metodă de rotire a unui trohanter prin intermediul unui flux de abur îndreptat către lamele fixate pe marginea roții. O mașină similară a fost propusă în 1629 de către un inginer italian Giovanni Branca pentru a roti un dispozitiv de ancorare cilindrică, care, alternativ, a ridicat și a eliberat două perechi de pisici în stupas. Fluxul de abur în aceste turbine cu aburi timpurii nu a fost concentrat, iar cea mai mare parte a energiei sale a fost disipată în toate direcțiile, ceea ce a dus la pierderi semnificative de energie.
Cu toate acestea, dezvoltarea în continuare a motorului cu aburi necesita condiții economice în care dezvoltatorii de motoare ar putea profita de rezultatele lor. Astfel de condiții nu au fost în epoca antică, nici în Evul Mediu, nici în Renaștere.
Numai la sfârșitul secolului al XVII-lea motoarele cu aburi au fost create ca curiozități unice.
Motoarele cu aburi timpurii au fost numite primele "mașini de incendiu", precum și motoarele Watt "atmosferice" sau "condensatoare". Ei au lucrat la principiul vidului și sunt, prin urmare, cunoscuți și ca "motoare cu vid". Astfel de mașini au lucrat pentru a acționa pompele cu piston, în orice caz, nu există dovezi că acestea au fost folosite în alte scopuri. Motoarele cu aburi de vid, în ciuda limitării evidente a eficienței lor, au fost relativ sigure, folosind abur de joasă presiune, care era în concordanță cu nivelul scăzut al tehnologiei cazanelor din secolul al XVIII-lea. Puterea mașinii a fost limitată de presiunea scăzută a aburului, dimensiunile cilindrului, rata de ardere a combustibilului și evaporarea apei din cazan, precum și dimensiunile condensatorului.
Primele motoare universale practice cu aburi au fost inițial create de II Polzunov (1763) și D. Watt (1764).
Proiectarea primelor motoare cu aburi avea părțile principale ale tuturor mașinilor termice ulterioare: un încălzitor în care a fost eliberată energia combustibilului; vaporii de apă ca mediu de lucru și un piston cu un cilindru care transformă energia internă a aburului în energie mecanică; răcitorul necesar pentru a reduce temperatura și presiunea aburului.
Desigur, primele motoare cu aburi aveau defecte de proiectare grave. De exemplu, dorința de a face cazan mai ieftin și mai sigur de a lucra a condus la necesitatea de a utiliza abur de joasă presiune, și pentru a obține cilindri de putere mai mare este forțat să facă un diametru de aproximativ 2 m, cu un accident vascular cerebral de 3 m. Prin urmare, creșterea necesară și toate celelalte părți ale mașinii. Deci, mașina de ridicare a apei Newcomen - Cowley a ajuns la o înălțime de 4 - 5 etaje.
Îmbunătățirea în continuare a motoarelor cu aburi, creșterea temperaturii și a presiunii aburului permite reducerea semnificativă a dimensiunilor și creșterea puterii. Acest lucru a făcut posibilă utilizarea motoarelor cu aburi pe nave (vapoare) și pe locomotive de cale ferată (locomotive), precum și în instalații staționare pentru mașini-unelte de acționare.
Principalul dezavantaj al motoarelor cu aburi a fost o eficiență scăzută, care nu depășește 9%.
Dintre modalitățile de creștere a eficienței motoarelor termice, unul a fost deosebit de fructuos. Esența sa a constat în reducerea pierderilor de căldură prin transferarea locului de combustie a combustibilului și încălzirea fluidului de lucru în interiorul cilindrului. Prin urmare, originea numelui "motor cu combustie internă" (ICE). Firește, pentru motoarele cu combustie internă, cel mai convenabil combustibil este gazos sau lichid.
Motorul cu ardere internă cu ardere internă
Primul motor cu combustie internă a fost creat în 1860 de către inginerul francez E. Lenoir. Eficiența primului motor cu combustie internă a fost de 3,3%. Cu toate acestea, noile motoare au fost în curând îmbunătățite în mod semnificativ - sa propus utilizarea unui ciclu cu patru cicluri în motorul cu combustie internă: aspirație, comprimare, ardere și dilatare, evacuare.
Dezvoltarea industriei petroliere la sfârșitul secolului al XIX-lea. au dat noi tipuri de combustibil - kerosen, benzină. Într-un motor pe benzină pentru arderea completă a combustibilului înainte de admisia în cilindru, acesta este amestecat cu aer în mixere speciale numite carburatoare. Un amestec aer-benzină se numește amestec combustibil. Pentru motoarele cu combustie internă cu piston, o caracteristică importantă care determină caracterul complet al arderii combustibilului și afectează în mod semnificativ valoarea randamentului este raportul de comprimare al amestecului combustibil.
Pentru a spori eficiența motorului cu combustie internă, inginerul german R. Diesel în 1892 a propus utilizarea unui grad de comprimare mai mare a fluidului de lucru și extinderea la presiune constantă. Motoarele diesel moderne au un raport de compresie de 16-21 și o eficiență de aproximativ 40%.
Încercările de a construi o turbină cu aburi capabilă să concureze cu un motor cu aburi, până la mijlocul secolului al XIX-lea. au fost nereușite, deoarece energia mecanică de rotație a turbinei a reușit să transforme doar o mică parte a energiei cinetice a jetului de abur.
Prima turbina cu abur, care a găsit aplicare practică a fost făcută suedeză inginer Laval în 1889, puterea ei a fost mai mică de 4 kW la o viteză a rotorului de 500 rot / sec. Eficiența turbinelor cu abur moderne atinge 40%. Prin urmare, generatoarele electrice ale tuturor centralelor termice și nucleare sunt conduse de turbine cu abur. Motoarele cu turbină cu aburi au găsit o largă aplicație în transportul pe apă. Aplicarea lor în transportul terestru și mai ales în domeniul aviației previne necesitatea de a avea un cuptor și un cazan pentru a genera abur și o cantitate mare de apă pentru utilizarea ca fluid de lucru.
Ideea eliminarea cuptorului și cazanul în turbina motorului termic de combustibil în organism de lucru de ardere pentru o lungă perioadă de timp au ocupat designeri. Dar dezvoltarea turbinei cu ardere internă, în care aburul nu este fluid de lucru, și extinderea prin încălzirea aerului, împiedicată de lipsa de materiale capabile să funcționeze pentru o lungă perioadă de timp la temperaturi ridicate și sarcini mecanice mari. Eficiența instalațiilor cu turbină cu gaz atinge 25-30%. Este nevoie de trei ori mai puțin spațiu decât un motor diesel de aceeași capacitate, iar greutatea sa specifică (raportul dintre greutate la putere) în 6-9 ori mai mică decât cea a motorului cu piston de aviație. Compactitatea și viteza mare combinate cu puterea mare pe unitate de masă au determinat primul domeniu practic de aplicare a motoarelor cu turbină cu gaz - aviație.
9) Probleme de mediu asociate aplicației
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: