ʻO ke kumumanaʻo o ka ikehu kūloko i loko o ka ʻenekinia Thermodynamic Systems
I ke aʻo ʻana i ka thermodynamics ʻenekinia, ʻo kekahi o nā manaʻo koʻikoʻi loa akā koʻikoʻi i ka loiloi ʻōnaehana ʻo ia ka ikehu kūloko. ʻO ka ikehu kūloko, i hōʻailona pinepine ʻia e U, he ʻāpana koʻikoʻi ia o nā waiwai o kahi mea, inā he mea maʻemaʻe a he hui paha, i loko o kahi ʻōnaehana thermodynamic. ʻO ka hoʻomaopopo pono ʻana i ka ikehu kūloko e kōkua i nā ʻenekinia e wehewehe a helu i ke ʻano o nā ʻōnaehana e like me nā turbine mahu, nā compressors, nā mīkini kuni kūloko, nā paila, nā mea hoʻololi wela, a me nā ʻōnaehana refrigeration. Kūkākūkā kēia ʻatikala i ka wehewehe ʻana o ka ikehu kūloko, kona ʻano kino, kona pilina me ka wela a me ka hana, kona kuleana ma ke Kānāwai Mua o Thermodynamics, a me kāna mau noi hana i nā ʻōnaehana ʻenekinia.
1. Ke Hoʻomaopopo ʻana i ka Ikehu Kūloko
ʻO ka ikehu kūloko ka ikehu microscopic holoʻokoʻa i mālama ʻia i loko o kahi ʻōnaehana ma muli o ka neʻe ʻana a me nā pilina o kona mau ʻāpana (nā molekala, nā ʻātoma, nā electrons). ʻAʻole e like me ka ikehu kinetic a me ka ikehu hiki, i ʻike ʻia ma kahi unahi macroscopic (e.g., kahi mea e neʻe ana a i ʻole ma kekahi kiʻekiʻe), pili ka ikehu kūloko i nā hanana ma kahi microscale: nā haʻalulu molekala, nā wili ʻana, nā unuhi ʻana, ka ikehu hoʻopaʻa ʻana, a me ka ikehu e pili ana me ka hoʻonohonoho kūloko o kahi mea.
Ma ke ʻano manaʻo, hiki ke kākau ʻia ka ikehu holoʻokoʻa o kahi ʻōnaehana ma ke ʻano he hui pū ʻana o ka ikehu kūloko a me ka ikehu macroscopic:
\[
E = U + KE + PE
\]
me:
– \(E\) = ka ikehu holoʻokoʻa o ka ʻōnaehana
– \(U\) = ikehu kūloko
– \(KE\) = ikehu kinetic macroscopic
– \(PE\) = ikehu hiki ke hoʻonui ʻia
I loko o nā loiloi thermodynamic ʻenekinia he nui, ʻoi aku ka liʻiliʻi o nā loli i ka ikehu kinetic a me ka ikehu hiki ma mua o nā loli i ka ikehu kūloko a i ʻole ka enthalpy, a no laila ua hoʻowahāwahā pinepine ʻia e hoʻomaʻalahi i nā helu ʻana (ʻoiai i kekahi mau noi e like me nā nozzles a i ʻole nā turbines, hiki ke koʻikoʻi ka ikehu kinetic).
2. Ikehu Kūloko ma ke ʻano he Waiwai Thermodynamic
He hana kūlana ka ikehu kūloko. ʻO ke ʻano kēia, ʻo ka waiwai o ka ikehu kūloko e hilinaʻi wale ana i ke kūlana o kēia manawa o ka ʻōnaehana (e laʻa, ka mahana, ke kaomi, a me ka haku mele ʻana), ʻaʻole ma ke ala hana i lawe ʻia e hiki ai i kēlā kūlana. Ma ke ʻano ʻokoʻa, ua hōʻike ʻia ka loli o ka ikehu kūloko penei:
\[
ʻO ka Delta U = U_2 – U_1
\]
Pono e hoʻomaopopo ʻia he paʻakikī ke ana pololei ʻana i ka waiwai paʻa o U, no ka mea, ʻo ka mea hiki ke hoʻoholo ʻia ma o ka hoʻokolohua ʻana, ʻo ia ka loli o ka ikehu kūloko (\(\Delta U\)). No laila, hōʻike pinepine nā papa thermodynamic (e laʻa, nā papa mahu wai) i nā waiwai ikehu kūloko e pili ana i kahi kūlana kuhikuhi.
3. Manaʻo Kino: Nā ʻĀpana Ikehu Microscopic
He "waihona" liʻiliʻi loa ka ikehu kūloko o ka ikehu. Ma keʻano laulā, hiki i nā haʻawina mai ka ikehu kūloko ke komo pū me:
1. Ikehu unuhi o nā molekala (pili i ka mahana).
2. Ka ikehu hoʻohuli a me ka haʻalulu (koʻikoʻi i nā kinoea polyatomic a ma nā mahana kiʻekiʻe).
3. Ka ikehu hiki ke hana ma waena o nā molekala (mana i loko o nā wai a me nā mea paʻa, i hoʻohuli ʻia e nā mana hoʻowalewale ma waena o nā molekala).
4. Ikehu hoʻopaʻa kemika (koʻikoʻi i nā hopena puhi a i ʻole nā kaʻina hana kemika).
5. Ikehu nukelea (i hoʻowahāwahā pinepine ʻia i ka thermodynamics ʻenekinia kuʻuna koe wale nō i nā ʻōnaehana reactor nukelea).
Ma muli o ka hopena o ka mahana a me ke ʻano o ka mea i kēia mau ʻāpana, pili loa ka ikehu kūloko i ka mahana. No ke kinoea kūpono, ʻo ka ikehu kūloko he hana nui ia o ka mahana wale nō.
4. Ka Pilina ma waena o ka Ikehu Kūloko a me ka Wela a me ka Hana
ʻO kekahi kuhi hewa maʻamau, ʻo ia ka manaʻo o ka ikehu kūloko he "like" me ka wela. ʻOiaʻiʻo:
– ʻO ka wela (Q) ka ikehu e neʻe ana ma waena o ka palena o ka ʻōnaehana ma muli o nā ʻokoʻa o ka mahana.
– ʻO ka hana (W) ka ikehu i hoʻoili ʻia ma waena o ka palena ʻōnaehana ma muli o kahi ikaika e hana ana ma o ka neʻe ʻana (e.g. hana palena \(P\,dV\), hana koʻokoʻo ma kahi turbine, hana uila, a pēlā aku).
– ʻO ka ikehu kūloko (U) ka ikehu i mālama ʻia i loko o ka ʻōnaehana ma ke ʻano he waiwai mokuʻāina.
Ke loaʻa ka wela i kahi ʻōnaehana, hiki ke hoʻonui ʻia kona ikehu kūloko, akā ʻaʻole mau—no ka mea, hiki ke hoʻololi ʻia kekahi o ka ikehu e hiki mai ana i ka hana hana. I ka ʻaoʻao ʻē aʻe, ke hana kahi ʻōnaehana, hiki ke emi iho kona ikehu kūloko ʻoiai ʻaʻohe wela i nalowale, e like me ka hoʻonui ʻana adiabatic.
5. Ikehu Kūloko i ke Kānāwai Mua o Thermodynamics
ʻŌlelo ke Kānāwai Mua o Thermodynamics i ka mālama ʻana i ka ikehu. No kahi ʻōnaehana pani ʻia, ʻo ke ʻano maʻamau:
\[
\Delta U + \Delta KE + \Delta PE = Q – W
\]
Inā hiki ke hoʻowahāwahā ʻia nā loli o ka ikehu kinetic a me ka ikehu hiki:
\[
ʻO ka Delta U = Q – W
\]
Ua wehewehe kēia kaulike ua hoʻoholo ʻia ka loli o ka ikehu kūloko e ke kaulike ikehu: ka ikehu e komo ana ma ke ʻano he wela me ka hoʻemi ʻana i ka ikehu e puka ana ma ke ʻano he hana.
Laʻana manaʻo
– I ka hoʻomehana ʻana i ke kinoea i loko o kahi ipu paʻa (ka nui mau), ʻo ka hana palena ʻo \(W = 0\), no laila e hoʻonui ka wela e komo mai ana i ka ikehu kūloko: \(\Delta U = Q\).
– I ka hoʻonui adiabatic (ʻaʻohe hoʻoili wela, \(Q=0\)), hana ka ʻōnaehana a emi iho kona ikehu kūloko: \(\Delta U = -W\).
6. ʻOkoʻa ma waena o ka Ikehu Kūloko a me ka Enthalpy
I loko o ka thermodynamics ʻenekinia, ma waho aʻe o ka ikehu kūloko, ua ʻike ʻia hoʻi ka enthalpy (H):
\[
H = U + PV
\]
ʻOi aku ka pono o ka Enthalpy no ka hoʻohana ʻana i nā ʻōnaehana kahe (ka nui o ka mana) e like me nā turbine, nā compressors, nā paila, a me nā mea hoʻololi wela, no ka mea, ʻo ka huaʻōlelo \(PV\) e hōʻike ana i ka "hana kahe" e pili ana me ka hoʻokuke ʻana i ka wai i loko a i waho o ka nui o ka mana.
Eia nō naʻe, he mea nui loa ka ikehu kūloko, ʻoiai hoʻi i:
- nā ʻōnaehana pani (e.g. cylinder-piston),
- ke kaʻina hana leo mau,
- ka nānā ʻana i ka manawa pōkole ma nā pahu,
- a me ka hoʻoholo ʻana i nā waiwai thermodynamic o nā mea ma lalo o kekahi mau kūlana.
7. Ikehu Kūloko i loko o ke Kinoea Kūpono
No ke kinoea kūpono, hilinaʻi wale ka ikehu kūloko i ka mahana:
\[
ʻU = ʻU(T)
\]
No laila hiki ke helu ʻia ka loli o ka ikehu kūloko me ka mana wela ma ka leo mau (\(C_v\)):
\[
ʻO ka Delta U = m\int_{T_1}^{T_2} C_v(T)\, dT
\]
Inā manaʻo ʻia ʻo \(C_v\) he paʻa mau:
\[
ʻO ka Delta U = m C_v (T_2 – T_1)
\]
He mea pono loa ia no nā helu wikiwiki ʻana ma nā ʻāpana ʻenekinia e like me nā kaʻina hana hoʻopili/hoʻonui kinoea, ka loiloi pōʻaiapuni kūpono (Otto, Diesel, Brayton), a me nā helu hoʻoili ikehu kumu.
8. Ikehu Kūloko i nā Mea Maoli a me ka Huehu Wai
I nā mea maoli e like me ka wai, nā refrigerants, a i ʻole nā hui hydrocarbon, ʻaʻole mau ka ikehu kūloko he hana o ka mahana wale nō. Hoʻopilikia ʻia hoʻi e ke kaomi a me ka pae (wai, mahu, hui). No laila, ʻo ka loiloi ikehu kūloko e pili pinepine ana i:
– papa thermodynamic (papa mahu),
– nā kiʻikuhi \(Pv\), \(Ts\), a i ʻole \(hs\),
– a i ʻole nā kaulike o nā kumu hoʻohālike mokuʻāina a me nā waiwai.
Eia kekahi laʻana, i loko o ka wai: e piʻi nui ana ka ikehu kūloko ke loaʻa kahi loli pae mai ka wai saturated i ka mahu saturated ma muli o ka ikehu latent e pili ana me ka haki ʻana o nā mana intermolecular o ka huki.
9. Hoʻohana ʻia o ka Ikehu Kūloko i nā ʻōnaehana Thermodynamic ʻenekinia
ʻO ka hoʻomaopopo ʻana i ka ikehu he hopena pololei ia i ka hoʻolālā a me ka loiloi hana o nā lako ʻenekinia, no ka laʻana:
1. Keʻena kuni a me ka mīkini kuni kūloko: pili nā loli o ka ikehu i loko o nā kinoea kuni i ka hoʻokuʻu ʻia ʻana o ka ikehu kemika a me ka mahana o ke kinoea.
2. Nā pahu mālama i hoʻopaʻa ʻia: hiki ke kālailai ʻia ke kaʻina hana hoʻopiha/hoʻokahe ma o nā loli i ka ikehu kūloko o ka wai i loko o ka pahu, ʻoi aku hoʻi ma lalo o nā kūlana adiabatic a i ʻole transient.
3. Nā paila a me nā condensers: ʻoiai ke hoʻohana pinepine nei ka nānā ʻana i ke kahe ʻana i ka enthalpy, kōkua ka ikehu kūloko i ka hoʻomaopopo ʻana i nā loli pae a me ke kaulike ikehu kūloko o ke kahe.
4. ʻŌnaehana hoʻomaʻalili: wehewehe ka ikehu kūloko i nā loli ikehu i loko o ka refrigerant i ka wā o ka hoʻopili ʻana, ka hoʻonui ʻana, a me ka hoʻoili wela, ʻoiai ke kālailai ʻia ma ke ʻano he ʻōnaehana pani i kekahi mau ʻāpana.
10. Hopena
ʻO ka ikehu kūloko kahi manaʻo nui i ka thermodynamics ʻenekinia no ka mea ke hōʻike nei ia i ka ikehu microscopic i mālama ʻia i loko o kahi ʻōnaehana ma ke ʻano he waiwai o ke kūlana. Ma o ke Kānāwai Mua o Thermodynamics, pili nā loli i ka ikehu kūloko i ka hoʻoili wela a me ka hana, a pēlā e hoʻokumu ai i ke kumu no ka loiloi ikehu o nā kaʻina hana ʻenekinia like ʻole. I loko o nā kinoea kūpono, hilinaʻi nui ka ikehu kūloko i ka mahana, ʻoiai i loko o nā mea maoli, hoʻopilikia ʻia ka ikehu kūloko e nā kūlana pae a me ke kaomi. Ma ka hoʻomaopopo hohonu ʻana i ka ikehu kūloko, hiki i kahi ʻenekinia ke kūkulu i nā hiʻohiʻona pololei, hana i nā helu kūpono, a hana i nā hoʻoholo hoʻolālā kūpono i nā noi ʻōnaehana thermal like ʻole.
Inā makemake ʻoe, hiki iaʻu ke hoʻohui i nā laʻana o nā helu helu (e like me ka hoʻomehana ʻana o kahi kinoea i loko o kahi cylinder a i ʻole ka hoʻonui adiabatic) e hoʻopaʻa i ka manaʻo o ka ikehu kūloko.
