ebook Termodynamika we współczesnej nauce i technice Jarosław Mikielewicz, Dariusz Mikielewicz

Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN

Rok wydania: 2025

Wydawnictwo Naukowe PWN przedstawia wyjątkową, nowoczesną publikację, zatytułowaną: Termodynamika we współczesnej nauce i technice. W zamyśle autorów ma ona przedstawiać spójne ogólne spojrzenie na termodynamikę jako nowoczesną naukę z szerokimi możliwościami zastosowań.

Dydaktyczna warstwa książki jest oparta na wzorcach anglosaskich, jak też tych, wynikających z doświadczeń autorów. Głównym celem autorów publikacji było wykazanie, że termodynamika ma nie tylko zastosowanie do układów technicznych. Termodynamika jest działem fizyki zajmującym się materią i przemianą energii, w szczególności przemianą energii w ciepło i pracę. Każdy obiekt zainteresowania techniki zawiera materię i energię, dlatego termodynamika jest zwykle włączona lub pośrednio zaangażowana w analizę prawie wszystkich problemów inżynierskich. Opierając się na odwracalnej termodynamice klasycznej, w książce opisano przejście od termodynamiki klasycznej do termodynamiki inżynierskiej. Przedstawiono przykłady zastosowania termodynamiki w naukach podstawowych i stosowanych.

W pracy przedstawiono także wpływ termodynamiki na rozwój współczesnych nauk ścisłych i humanistycznych. Współczesne podręczniki i opracowania termodynamiki nie przedstawiają w dostateczny sposób ogólności termodynamiki i jej związków z ogólnymi prawami przyrody, co starano się przedstawić w właśnie w tej publikacji.

Publikację tą kierujemy m.in. do studentów I, II i III stopnia na kierunkach: energetyka, mechanika i budowa maszyn czy elektrotechnika i inżynieria środowiska, ale również fizyka, chemia, informatyka i inne. Ze względu na walory praktyczne publikacji znajdzie ona zastosowanie w pracy pracowników przemysłu (np. maszynowego, chemicznego), pracowników energetyki, specjalistów ds. OZE czy z branży HVAC i innych.

Spis treści ebooka Termodynamika we współczesnej nauce i technice

1. Wstęp 1

2. Fizyczne podstawy termodynamiki 3
2.1. Układ termodynamiczny 3
2.2. Zerowa zasada termodynamiki 6
2.3. Energia wewnętrzna i ciepło 9
2.4. Sposoby zmiany energii 10
2.4.1. Praca w układzie termodynamicznym 10
2.4.2. Postulat stanu (minus pierwsza zasada termodynamiki) 13
2.4.3. Ciepło 14

3. Pierwsza zasada termodynamiki 17
3.1. Ciepło właściwe przemian układów prostych ściśliwych 22
3.2. Analiza równań pierwszej zasady termodynamiki 23
3.3. Procesy nieodwracalne, analiza zjawisk z tarciem 26

4. Druga zasada termodynamiki 31
4.1. Wprowadzenie entropii do termodynamiki za pomocą obiegu Carnota 36
4.2. Formalne wprowadzenie entropii do termodynamiki przez Carathéodory’ego 43
4.3. Połączenie pierwszej i drugiej zasady termodynamiki – egzergia 46
4.4. Równanie fundamentalne 52
4.5. Przekształcenia Legendre’azmiennych zależnych, związki Maxwella 53
4.6. Zamiana zmiennych niezależnych – jakobiany 56
4.7. Warunki równowagi układu z otoczeniem 59

5. Trzecia zasada termodynamiki 63

6. Zastosowania termodynamiki klasycznej 67
6.1. Gaz doskonały 69
6.1.1. Równanie stanu gazu doskonałego 69
6.1.2. Entropia gazu doskonałego, równanie fundamentalne 77
6.1.3. Przemiany gazu doskonałego 78
6.1.4. Równanie stanu gazu – entropia jako opis stanu mikroskopowego 86
6.1.5. Równowaga układu wypełnionego gazem doskonałym 88
6.2. Gazy rzeczywiste 90
6.2.1. Równowaga faz 94
6.2.2. Przemiany gazu rzeczywistego 100
6.3. Gazy wilgotne 104
6.3.1. Charakterystyka gazu wilgotnego 104
6.3.2. Parametry gazu wilgotnego 105
6.3.3. Mieszanie gazów wilgotnych 109
6.3.4. Pomiar zawartości wilgoci 113
6.4. Promieniowanie 114

7. Układy wykonujące inne rodzaje pracy niż zmiana objętości 119
7.1. Pole grawitacyjne 119
7.2. Prosta substancja magnetyczna 123
7.3. Prosta substancja elektrostatyczna 129
7.4. Ciała stałe elastyczne 132
7.5. Błona powierzchniowa 135
7.6. Ogniwo odwracalne 136
7.7. Substancje złożone 138
7.7.1. Substancja w polu elektrycznym lub magnetycznym poddana obciążeniom mechanicznym 138
7.7.2. Układy z reakcjami chemicznymi 141

8. Zastosowanie zasad termodynamiki w technice 149
8.1. Wprowadzenie 149
8.2. Równania bilansu masy, pędu i energii technicznego układu otwartego 149
8.2.1. Przykłady zastosowań równań bilansu masy, pędu i energii 155
8.2.2. Dysza izotermiczna 158
8.3. Problematyka spalania 165
8.3.1. Paliwa 166
8.3.2. Zapotrzebowanie powietrza do spalania 167
8.3.3. Współczynnik nadmiaru powietrza 168
8.3.4. Temperatura zapłonu i samozapłonu 169
8.3.5. Ciepło spalania i wartość opałowa paliwa 170
8.3.6. Temperatura spalania 172
8.3.7. Masa i objętość spalin 173
8.3.8. Straty powstające przy spalaniu 174
8.3.9. Ciepło tworzenia 175
8.3.10. Analiza energetyczna układów z reakcjami 180
8.3.11. Ciepło reakcji – entalpia i energia wewnętrzna spalania 181
8.3.12. Adiabatyczna temperatura płomienia 184
8.3.13. Analiza drugiej zasady termodynamiki dla układów z reakcjami chemicznymi 189
8.3.14. Ogniwa paliwowe 190
8.4. Analiza energetyczna i egzergetyczna 194
8.5. Obiegi termodynamiczne prawobieżne – układy produkujące pracę 197
8.5.1. Obieg Clausiusa–Rankine’a – obieg turbiny parowej 198
8.5.2. Obieg Braytona – obieg turbiny gazowej 202
8.5.3. Siłownie jądrowe 203
8.6. Obiegi termodynamiczne lewobieżne – podstawy chłodnictwa 210
8.6.1. Podstawowy obieg chłodniczy chłodzony powietrzem 215
8.6.2. Lewobieżny obieg Braytona 215
8.6.3. Sprężarkowe obiegi chłodnicze 217
8.6.4. Warianty sprężarkowych urządzeń chłodniczych 219
8.6.5. Absorpcyjne układy chłodnicze 222
8.7. Pompy ciepła 225
8.8. Urządzenia strumienicowe 226
8.9. Inne metody chłodzenia – efekt termoelektryczny 228
8.10. Klimatyzacja 229
8.10.1. Komfort człowieka 230
8.10.2. Temperatura i wilgotność 232
8.10.3. Podstawowa klimatyzacja centralna 233
8.10.4. Systemy all-air 234
8.10.5. Systemy powietrze-woda 235
8.10.6. Klimatyzatory jednostkowe 236
8.10.7. Klimatyzatory pokojowe 237

9. Wprowadzenie do liniowej termodynamiki procesów nieodwracalnych 239
9.1. Postulat równowagi lokalnej 240
9.2. Lokalne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki 241
9.3. Efekty krzyżowe 244
9.4. Relacje Onsagera – czwarta zasada termodynamiki 244
9.5. Procesy stacjonarne 246
9.6. Przykłady procesów nierównowagowych 249
9.6.1. Przepływ ciepła i prądu elektrycznego przez przewodnik 249
9.6.2. Sprzężenie termomechaniczne 255

10. Wpływ termodynamiki na inne dziedziny nauki 263
10.1. Statystyczna entropia 264
10.2. Teoria informacji 265
10.3. Równoważność informatycznej, statystycznej i termicznej entropii 265

11. Zakończenie 271

Bibliografia 273