Θερμοδυναμική (Εισαγωγή)

Η επιστήμη της Ενέργειας.

Αν και η φωτιά έλυσε αρκετά προβλήματα του ανθρώπου για πολλές χιλιάδες χρόνια, όπως είπαμε. υπήρχαν ακόμα αρκετά «ενεργειακά» προβλήματα στα οποία δεν βοήθησε.

Τα προβλήματα αυτά κυρίως ήταν.

• Η μετακίνηση.
  

  Η μετακίνηση δια ξηράς γινόταν κυρίως με ζώα ή με την κλασσική πανάρχαια μέθοδο του περπατήματος. Σε αυτόν τον τομέα ήμασταν τυχεροί καθώς υπήρχαν αρκετά ζώα ικανά να κουβαλήσουν τον άνθρωπο και φορτία σε μεγάλες αποστάσεις. Ανάλογα την περιοχή και το κλίμα τα άλογα και τα γαϊδούρια, οι ελέφαντες, οι καμήλες ακόμα και οι σκύλοι υπηρετούσαν τον άνθρωπο.

  Στην θάλασσα ο αέρας καθόριζε την ταχύτητα και την πορεία των πλοίων.

  Η μετακίνηση μέσω αέρα ανήκε μόνο στα πτηνά καθώς ο άνθρωπος λόγω έλλειψης γνώσεων αεροδυναμικής αλλά κυρίως λόγω έλλειψης αρκετής ισχύος δεν μπορούσε να απογειωθεί. Το πρόβλημα ίσως είχε μερικώς λυθεί και εκεί με ζώα εάν οι δράκοι ήταν αληθινοί ή κάποια ειδή δεινοσαύρων δεν είχαν εξαφανιστεί. Για κακή μας τύχη όμως τα είδη ζώων που μπορούσαν να πετάξουν ήταν πολύ μικρά για να τα χρησιμοποιήσει ο άνθρωπος.

• Η εργασία.
  Και εκεί χρησιμοποιούταν ζώα, σκλάβοι ή άλλες πηγές ενέργειας όπως το νερό και ο αέρας. Η καλλιέργεια της γης βασιζόταν κυρίως σε ζώα. Η επεξεργασία της συγκομιδής (άλεσμα βασιζόταν σε ανεμόμυλους, νερόμυλους κλπ.)
• Η ψύξη.
  Η φωτιά παρείχε ζέστη τον χειμώνα.
  Για κρύο όμως το καλοκαίρι δεν υπήρχε κάτι αντίστοιχο. Σίγουρα υπάρχουν ενδόθερμες αντιδράσεις οι οποίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν, οι πρώτες ύλες όμως των οποίων δεν ήταν εύκολο να βρεθούν στη φύση. Κυρίως όμως η ψύξη δεν ενδιέφερε και τόσο τον άνθρωπο. Στην ζέστη είμαστε σχετικά ανεκτικοί.

Τα προβλήματα αυτά έλυσε η θερμοδυναμική, η επιστήμη της ενέργειας. Η θερμοδυναμική σαν επιστήμη μελετά την θερμότητα ως βασικό ενεργειακό περιεχόμενο κάθε σώματος και την μεταφορά αυτής από το ένα σώμα στο άλλο. Αναλύει τις επιπτώσεις της θερμότητας σε κάποιες βασικές ιδιότητες των υλικών. Έτσι με κατάλληλες διατάξεις δημιουργεί μοντέλα ενεργειακής αλληλεπίδρασης που μπορούν να διαχειριστούν την θερμότητα ανάλογα με τις ανάγκες.

Η βασικές εφαρμογές της είναι.

• Στην θέρμανση.
  Θέρμανση είναι η προθήκη θερμικής ενέργειας σε κάποιο υλικό. Το υλικό μπορεί να είναι ο αέρας ενός δωματίου, το φαγητό κλπ. Σήμερα δεν νοείται οικεία χωρίς σύστημα θέρμανσης.
• Στην ψύξη.
  Η ψύξη είναι η αφαίρεση θερμικής ενέργειας από ένα υλικό. Το υλικό αυτό μπορεί επίσης να είναι ο αέρας ενός δωματίου, το νερό, τα τρόφιμα κλπ. Η ψύξη σήμερα παίζει σημαντικό ρόλο τόσο για την ρύθμιση της θερμοκρασίας των χώρων, όσο και για την μακροχρόνια διατήρηση των τροφίμων. Η ποιο βασική συσκευή ψύξης κάθε σπιτιού είναι το ψυγείο.
• Στην παραγωγή μηχανικής ενέργειας.
  Εδώ η θέρμανση μετατρέπεται σε κίνηση. Όλες οι μηχανές καταναλώνουν κάποιο καύσιμο το οποίο καίγοντας παράγουν θερμική ενέργεια η οποία στη συνέχεια γίνεται κινητική. Ο πολιτισμός μας δεν θα υφίστατο χωρίς τις Μηχανές Εσωτερικής Καύσης. Αντικατέστησαν τα ζώα τους σκλάβους και άλλες πηγές ενέργειας σχεδόν σε όλα τα μεταφορικά μέσα και τις εργασίες. Έδωσαν νέες δυνατότητες στην παραγωγή αγαθών και την μεταφορά ενώ μέσω των γεννητριών έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη και διάδοση του ηλεκτρισμού.

Θερμική ενέργεια - Θερμότητα – θερμοκρασία

1. Θερμική Ενέργεια.

H θερμική ενέργεια είναι μία μορφή η εσωτερικής ενέργεια που υπάρχει στην ύλη. Ουσιαστικά είναι κινητική ενέργεια σε μικροσκοπικό επίπεδο. Όλα τα υλικά σώματα αποτελούνται από μόρια τα οποία κινούνται. Στα στερεά σώματα η κίνηση είναι συνήθως μια ταλάντωση γύρω από την ίδια θέση ενώ στα υγρά και στα αέρια (ρευστά) η κίνηση είναι ελεύθερη προς όλες τις κατευθύνσεις.

Copied with permission from middleschoolchemistry.com

Η θερμική ενέργεια ορίζεται ως το σύνολο της κινητικής ενέργειας των μορίων ενός σώματος. Εάν ένα μόριο σε ένα σώμα έχει κινητική ενέργεια π.χ. 2 (δεν μας ενδιαφέρουν οι μονάδες προ το παρόν) τότε ένα σώμα που αποτελείται από n μόρια έχει θερμική ενέργεια 2Χn.

2. Θερμοκρασία

Η θερμοκρασία έχει να κάνει με τον μέσο όρο της κινητικής ενέργειας κάθε μορίου η ποιο απλά με το πόσο γρήγορα κινείται κάθε μόριο. Ένα «κρύο» σώμα μπορεί να έχει περισσότερη θερμική ενέργεια από ένα «ζεστό» εάν έχει μεγαλύτερη μάζα. Έστω π.χ. ότι έχουμε δύο σώματα Α και Β της ίδιας σύστασης (έχουν του ίδιου τύπου μόρια).
Το σώμα Α αποτελείται από 100 μόρια ενώ το Β από 1000.
Τα μόρια στο σώμα Α έχουν κινητική ενέργεια 30 το κάθε ένα ενώ στο Β 10.
Το σώμα Α έχει μεγαλύτερη θερμοκρασία από το Β.
Το σώμα Α όμως έχει 30Χ100=3000 Θερμική ενέργεια ενώ το σώμα Β έχει 10Χ1000=10000.
Το σώμα Α αν και έχει μεγαλύτερη θερμοκρασία από το Β, έχει μικρότερη θερμική ενέργεια.

Ένας άλλος τρόπος να το κατανοήσουμε αυτό είναι ο εξής: Έστω ότι έχουμε μια λίμνη με νερό θερμοκρασίας 20^οC. Έχουμε και ένα κάρβουνο θερμοκρασίας 600^οC . Εάν πετάξουμε το κάρβουνο στην λίμνη θερμική ενέργεια από το κάρβουνο θα μεταφερθεί στην λίμνη. Το κάρβουνο θα κρυώσει και η λίμνη θα ζεσταθεί. Η επιρροή του κάρβουνου όμως στην θερμοκρασία του νερού της λίμνης θα είναι αμελητέα διότι αν και το κάρβουνο έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία η θερμική ενέργεια που περιέχει είναι μικρή. Επειδή η λίμνη έχει πολύ μεγαλύτερη μάζα από το κάρβουνο απαιτεί πολύ μεγαλύτερη θερμική ενέργεια ώστε να αυξηθεί η θερμοκρασία της. Αντίθετα το κάρβουνο θα αποκτήσει γρήγορα την θερμοκρασία του νερού της λίμνης καθώς η λίμνη θα απορροφήσει γρήγορα όλη την θερμική του ενέργεια.

Όταν σε ένα σώμα δεν υπάρχει καθόλου θερμική ενέργεια (τα μόρια του δεν κινούνται) τότε το σώμα αυτό έχει θερμοκρασία «απόλυτο 0». Η θερμοκρασία αυτή είναι περίπου -254^oC η 0^οΚ και πρακτικά είναι αδύνατο να επιτευχθεί. (κανένα σώμα δεν έχει θερμοκρασία απόλυτο 0.) Αυτή είναι η μικρότερη δυνατή θερμοκρασία που υπάρχει. Αντίθετα άνω όριο στην θερμοκρασία δεν έχει οριστεί.

3. Θερμότητα

Η θερμότητα ορίζεται ως η θερμική ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο. Η θερμότητα αποκτά νόημα μόνο κατά την διάρκεια φαινομένων μεταφοράς θερμικής ενέργειας (η μετάδοσης θερμότητας). Η θερμότητα πάντα μεταφέρεται από σώματα με υψηλή θερμοκρασία σε σώματα με χαμηλή.

Συνοψίζοντας και σύμφωνα με το παράδειγμα του κάρβουνου και της λίμνης.
Το κάρβουνο και η λίμνη έχουν θερμική ενέργεια καθώς τα μόρια τους κινούνται. Το κάρβουνο έχει μεγαλύτερη θερμοκρασία διότι (κατά μέσο όρο) τα μόρια του κινούνται ποιο γρήογορα από αυτό της λίμνης. Όταν πετάξουμε το κάρβουνο στην λίμνη θερμότητα μεταφέρεται από το κάρβουνο ο προς την λίμνη.

Νόμος και τάξη

Λίγο πολύ όλοι έχουμε ακουστά για τους νόμους της θερμοδυναμικής. Πρόκειται για 3 νόμους οι οποίοι διέπουν (και περιορίζουν) τις δυνατότητές μας στην διαχείριση της ενέργειας. Εδώ θα αναφέρω τους πρώτους 2 καθώς αυτοί είναι που έχουν το μεγαλύτερο αντίκτυπο στις μηχανολογικές εφαρμογές.

1.Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής.
Ο πρώτος νόμος διασφαλίζει την διατήρηση της ενέργειας.
Η ενέργεια ούτε δημιουργείται ούτε χάνεται. Μπορεί να μετατραπεί από μια μορφή σε άλλη αλλά σαν σύνολο διατηρείται. Στην καύση μετατρέπεται η χημική ενέργεια του καυσίμου σε θερμότητα. Οι Μ.Ε.Κ. μετατρέπουν την θερμότητα της καύσης σε κίνηση.

2.Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής.
Ο δεύτερος νόμος έχει αρκετές διατυπώσεις και είναι ο ποιο σημαντικός για τον μηχανικό. Μπορεί να ερμηνευτεί με διάφορα παραδείγματα και σαν έννοια απαιτεί χρόνο για την κατανόηση. Ο νόμος αυτός εισάγει την έννοια της εντροπίας η οποία είναι ένα μέτρο του πόσο εκμεταλλεύσιμη είναι μια μορφή ενέργειας.

Στο παράδειγμα του κάρβουνου και της λίμνης όπως είδαμε, μετά από κάποιο διάστημα γνωρίζουμε ότι το νερό της λίμνης και το κάρβουνο θα έχουν την ίδια θερμοκρασία περίπου 20^οC. Η θερμική ενέργεια από το κάρβουνο δεν χάνεται αλλά μεταφέρεται στο νερό της λίμνης που έχει χαμηλότερη θερμοκρασία. Αν και δεν χάσαμε την θερμική ενέργεια του κάρβουνου πλέον δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή την ενέργεια προκειμένου να ξαναζεστάνουμε το κάρβουνο στους 700^οC. Η θερμότητα δεν ρέει φυσικά μεταξύ δύο σωμάτων με ίδια θερμοκρασία. Η θερμική ενέργεια από το κάρβουνο δεν χάθηκε, αυξήθηκε όμως η εντροπία του συστήματος πράγμα που δεν μας επιτρέπει πλέον να την χρησιμοποιήσουμε για να ξαναζεστάνουμε το κάρβουνο.

Ο ίδιος νόμος ευθύνεται για το ότι τα ψυγεία χρειάζονται ρεύμα για να δουλέψουν. Η ψύξη ενός σώματος ουσιαστικά είναι η αφαίρεση θερμικής ενέργειας από αυτό. Ο πρώτος νόμος δεν μας απαγορεύει να αφαιρέσουμε ενέργεια από ένα σώμα αρκεί να την μεταφέρουμε σε άλλο ώστε να διατηρηθεί. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο όμως δε γίνεται να μεταφερθεί θερμική ενέργεια από ένα ψυχρό σώμα (χώρο ψυγείου) σε ένα θερμότερο (περιβάλλον). Ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτή η αντίστροφη μεταφορά της θερμικής ενέργειας είναι με την δαπάνη επιπλέον ενέργειας.

Η εντροπία κατά μια έννοια έχει σχέση με την αυθόρμητη μεταφορά θερμότητας από την υψηλή προς την χαμηλή θερμοκρασία και ποτέ το αντίστροφο. Μακροσκοπικά τέτοιες μονής κατεύθυνσης μεταβολές υπάρχουν πολλές στην φύση. Η φωτιά μετατρέπει το ξύλο σε κάρβουνο με απελευθέρωση αερίων, δεν γίνεται όμως να μετατραπεί πάλι το κάρβουνο σε ξύλο. Ένα κτήριο μπορεί να γκρεμιστεί με τον καιρό ή από ένα σεισμό, δεν θα χτιστεί όμως ποτέ από μόνο του. Τα ζώα και ο άνθρωπος γερνάνε και φθείρονται με τα χρόνια. Δεν γίνεται να ανατραπεί αυτή η διαδικασία. Όλα τα πράγματα στο σύμπαν έχουν μια φυσική τάση να «ρέουν» προς μια συγκεκριμένη κατάσταση. Την κατάσταση με την υψηλότερη εντροπία. Μια κατάσταση μεγαλύτερης αποδιοργάνωσης.

Τα φαινόμενα αυτά, στο πυρήνα τους, σχετίζονται με τις εσωτερικές μικροσκοπικές καταστάσεις των σωμάτων. Τα μόρια ενός κτηρίου π.χ. μπορούν να οργανωθούν και να διαμορφωθούν σε πάρα πολλά σχήματα και δομές, λίγες όμως από αυτές αντιστοιχούν σε αυτό που ονομάζουμε "κτήριο". Η εντροπία είναι ένα στατιστικό αποτέλεσμα αυτών των καταστάσεων. Στο παρακάτω video γίνεται μια ποιο λεπτομερής επεξήγηση της έννοιας της εντροπίας δίνοντας έμφαση στο μικροσκοπικό επίπεδο.

Ο δεύτερος νόμος και η έννοια της εντροπίας έχουν σημαντικές επιπτώσεις στον τρόπο με τον οποίο μπορούμε να διαχειριστούμε την ενέργεια. Αν και ο πρώτος νόμος μας διασφαλίζει την «αθανασία» της ενέργειας, ο δεύτερος δηλώνει ότι η ενέργεια δεν είναι απλά ένα μέγεθος που μπορούμε αιώνια να ανταλλάσουμε και να μετατρέπουμε. Έχει μια ποιότητα η οποία συνεχώς φθίνει. Υψηλής ποιότητας ενέργεια καθώς η εντροπία συνεχώς αυξάνεται διαρκώς μετατρέπεται σε χαμηλής ποιότητας μη εκμεταλλεύσιμη ενέργεια.

Μακροπρόθεσμο αποτέλεσμα αυτής της υποβάθμισης είναι ο λεγόμενος θερμικός θάνατος. Όταν η εντροπία πάρει την μέγιστη τιμή όλη η ενέργεια θα έχει «υποβαθμιστεί» και θα είναι μη εκμεταλλεύσιμη. Αυτό συνεπάγεται αδυναμία παραγωγής έργου και κατά συνέπεια παύση κάθε δραστηριότητας.

Ευτυχώς για εμάς υπολογίζεται ότι το σύμπαν θα έχει «υψηλής ποιότητας» εκμεταλλεύσιμη ενέργεια για παρά πολλά τρισεκατομμύρια χρόνια ακόμα. Ενέργεια την οποία εδώ στη Γή μπορούμε να εκμεταλλευτούμε κυρίως για να ζήσουμε και στη συνέχεια να κάνουμε την ζωή μας ποιο εύκολη.

Μετάδοση θερμότητας.

Η θερμική ενέργεια «ρέει» φυσικά από σώματα υψηλής θερμοκρασίας προς σώματα με χαμηλή θερμοκρασία. Όπως η διαφορά δυναμικού στον ηλεκτρισμό παράγει ροή ηλεκτρονίων (δηλαδή ηλεκτρικό ρεύμα ) έτσι και η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο σωμάτων δημιουργεί θερμότητα.

Η ροή αυτής της θερμικής ενέργεια ή μετάδοση θερμότητας όπως ονομάζεται μπορεί να γίνει με 3 τρόπους.

• Με Αγωγή.
  Όταν δύο στερεά σώματα έρχονται φυσικά σε επαφή. Η μετάδοση θερμότητας γίνεται σε όλη την επιφάνεια που εφάπτεται. Με αγωγή γίνεται και η μεταφορά θερμότητας στο εσωτερικό ενός στερεού σώματος.


image from http://science4fun.info/heat-transfer/

• Με μεταφορά.
  Σε αυτήν την περίπτωση έχουμε μετάδοση θερμότητας όχι μόνο σε μια επιφάνεια άλλα σε όλο τον όγκο της ύλης. Γίνεται με επαφή δύο σωμάτων όταν ένα εκ των δύο σωμάτων (η και τα δύο) είναι ρευστά (υγρά ή αέρια). Στα ρευστά λόγω της ελεύθερης κίνηση των μορίων η μετάδοση θερμότητας γίνεται διαφορετικά από ότι στα στερεά. Αν π.χ. έχουμε 2 δοχεία νερού σε επαφή τότε το νερό που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια επαφής θερμαίνεται (ή ψύχεται ανάλογα) και στη συνέχεια μετακινείται εντός του δοχείου μεταφέροντας την θερμότητά του. Παρόμοιο φαινόμενο έχουμε και κατά την μίξη 2 υγρών διαφορετικής θερμοκρασίας.


image from http://science4fun.info/heat-transfer/

• Με ακτινοβολία.
  Αυτός ο τρόπος δεν απαιτεί την επαφή των σωμάτων. Γίνεται με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και είναι ο μόνος τρόπος μετάδοσης της θερμότητας μέσω του κενού. Έτσι μεταφέρετε η θερμική ενέργεια του ήλιου στη ΓΗ.


image from http://science4fun.info/heat-transfer/

Η θερμότητα τις περισσότερες φορές μεταδίδεται με περισσότερους από έναν τρόπους. Π.χ. Όταν ζεσταίνουμε νερό σε μια κατσαρόλα στο μάτι της κουζίνας η μετάδοση θερμότητας γίνεται και με τους 3 τρόπους. Με επαφή στην επιφάνεια όπου η κατσαρόλα ακουμπάει στο μάτι. Με μεταφορά στον όγκο του νερού της κατσαρόλας και με ακτινοβολία από το μάτι προς την κατσαρόλα.

Θερμική ακτινοβολία εκπέμπουν όλα τα σώματα που έχουν θερμοκρασία μεγαλύτερη από το απόλυτο 0 δηλαδή σχεδόν όλα τα σώματα. (Λέμε σχεδόν διότι υπάρχουν εξαιρέσεις σε κάποια εξωτικά σώματα όπως μαύρες ή σώματα που δεν αποτελούνται από κοινή ύλη.)

Η μετάδοση θερμότητας εξαρτάται από:

• Την διαφορά θερμοκρασίας.
  Όσο ποιο μεγάλη η διαφορά θερμοκρασίας τόσο ποιο γρήγορα μεταφέρεται η θερμότητα
• Τον τρόπο.
  Η επαφή π.χ. συνήθως έχει μικρότερο ρυθμό μεταφοράς από ότι η μεταφορά.
• Την επιφάνεια των σωμάτων.
  Όσο μεγαλύτερη η επιφάνεια τόσο ποιο μεγάλη η ροή θερμικής ενέργειας.
• Το υλικό.
  Κάθε υλικό έχει έναν συντελεστή μεταφοράς θερμότητας ο οποίος καθορίζει το πόσο εύκολα επιτρέπει την ροή θερμότητας στο εσωτερικό του. Το πόσο εύκολα δηλαδή δέχεται ή αποβάλει θερμική ενέργεια. Υλικά όπως μέταλλα έχουν υψηλό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Η ροή θερμότητας σε αυτά τα υλικά είναι μεγάλη και έτσι η θερμοκρασία τους αλλάζει γρήγορα όταν έρχονται σε επαφή με σώματα υψηλότερης η χαμηλότερης θερμοκρασίας. Αντίθετα υλικά όπως ο αέρας, η πολυουρεθάνη ή ο πετροβάμβακας έχουν χαμηλό συντελεστή. Θερμαίνονται δηλαδή και ψύχονται ποιο δύσκολα.

Μόνωση.

Για την θέρμανση ή ψύξη των χώρων, ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχουν για τον μηχανικό υλικά με χαμηλό συντελεστή θερμότητας. Ο χώρος μπορεί να είναι ένα δωμάτιο ένα σπίτι ένα ψυγείο ένας φούρνος κλπ... Όταν θερμαίνουμε η ψύχουμε ένα τέτοιο χώρο θέλουμε η θερμοκρασία του να διατηρηθεί στα επίπεδα που επιλέγουμε όσο το δυνατόν περισσότερο. Αυτό για να το πετύχουμε πρέπει να ελαχιστοποιήσουμε την ροή θερμότητας από και προς το περιβάλλον.

Ο τρόπος που γίνεται αυτό είναι η παρεμβολή μεταξύ του χώρου που ελέγχουμε και του περιβάλλοντος υλικών με χαμηλό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Τα υλικά αυτά ονομάζονται θερμομονωτικά υλικά και υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία διαθέσιμη για όλες τις εφαρμογές. Το απόλυτο κενό δεν επιτρέπει την μετάδοση θερμότητας με επαφή ή μεταφορά. Αυτό το καθιστά ένα πολύ καλό μονωτή.

By Achim Hering - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2841866

Πετροβάμβακας.