Теоретические основы процессов холодильных установок и машин, а также концепций кондиционирования воздуха в основном базируются на двух фундаментальных науках: термодинамике и гидравлике.
Термодинамика — это наука, изучающая закономерности превращения внутренней энергии в различные химические, физические и другие процессы, рассматриваемые учеными на макроуровне.
Термодинамические положения основывается на первом и втором началах термодинамики, которые впервые были сформулированы в начале XIX столетия и стали развитием основ механической гипотезы теплоты, а также закона превращения и сохранения энергии, сформулированных великим русским исследователем М. В, Ломоносовым.
Главным направлением термодинамики является техническая термодинамика, которая занимается исследованием процессов взаимной трансформации теплоты в работу и условий, при которых эти явления совершаются наиболее эффективно.
Гидравлика — наука, исследующая законы равновесия и движения жидкостей, а также разрабатывающая методы использования их к решению сложных инженерных задач.
Принципы гидравлики часто применяются при решении многих вопросов, связанных с конструированием, проектированием, эксплуатацией и строительством различных гидротехнических трубопроводов, сооружений и машин.
Выдающимся основоположником гидравлики считают древнегреческого мыслителя Архимеда, написавшего научную работу «О плавающих телах». Гидравлика как наука возникла намного раньше, чем термодинамика, что непосредственно связано с общественной интеллектуальной деятельностью человека.
Развитие гидравлики и термодинамики
Рисунок 1. Гидравлический способ измерения расхода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Гидравлика представляет собой комплексную теоретическую дисциплину, тщательно изучающую вопросы, связанные с механическим движением различных жидкости в природных и техногенных условиях. Поскольку все элементы рассматриваются как неделимые и непрерывные физические тела, то гидравлику можно считать одним из разделов механики сплошных сред, к каковым принято относить и особое вещество - жидкость.
Уже в Древнем Китае и Египте люди умели строить на реках плотины и водяные мельницы, оросительные системы на огромных рисовых полях, в которых применялись водоподъемные мощные машины. В Риме за шесть столетий до н. э. был возведен водопровод, что говорит о сверхвысокой технической культуре того времени. Первым же трактатом по гидравлике следует считать учения Архимеда, который первым изобрел машину для подъема воды, названную в результате «архимедовым винтом». Именно это устройство является прообразом современных гидравлических насосов.
Первые пневматические концепции возникли гораздо позднее, чем гидравлические. Только в XVIII в. н. э. на территории Германии была представлена машина для «движения газа и воздуха». По мере развития техники модернизировались гидравлические системы и быстро расширялась область их практического применения.
В развитии термодинамики в XIX столетии ученые выделяют три главных периода, каждый из которых имел свои отличительные свойства:
- первый – характеризовался формированием первого и второго термодинамические начала;
- второй период продолжался до середины XIX века и выделился научными трудами выдающихся физиков Европы таких, как англичанин Дж. Джоуль, немецкий исследователь Готлиб, и У. Томсон;
- третье поколение термодинамики открывает известный австрийский ученый и член Санкт-Петербургской Академии Наук Людвиг Больцман, которые посредством многочисленных экспериментов установили взаимосвязь механической и тепловой формы движения.
Далее развитие термодинамики не стояло на месте, а продвигалось ускоренными темпами. Так, американец Гиббс разработал в 1897 году химическую термодинамику, то есть сделал физическую химию абсолютно дедуктивной наукой.
Основные понятия и методы двух научных направлений
Рисунок 2. Гидравлическое сопротивление. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Предметом исследований гидравлики являются основные законы равновесия и хаотичного движения жидкостей, а также методы активизации гидравлических систем водоснабжения и ирригации.
Все эти постулаты были известны человеку еще задолго до нашей эры. Термин «жидкость» в гидромеханике обладает более широким значением, чем это принято считать в термодинамике. В понятие «жидкость» включают абсолютно все физические тела, способные изменять свою форму под влиянием сколь угодно малых сил.
Поэтому под этим определением подразумеваются не только обычные (капельные) жидкости, как в термодинамике, но и газы. Несмотря на различие изучаемых разделов физики, законы движения капельных газов и жидкостей при определенных условиях возможно считать одинаковыми. Основным из этих условий является показатель скорости по сравнению с таким же звуковым параметром.
Гидравлика изучает в первую очередь течения жидкостей в различных руслах, то есть потоки, ограниченные плотными стенками. В понятие «русло» включают все устройства, ограничивающие сам поток, в том числе проточные части насосов, трубопроводы, зазоры и другие элементы гидравлических концепций. Таким образом, в гидравлике изучаются в основном внутренние течения, а в термодинамике – внешние.
Предметом термодинамического анализа является система, которая может отделяться от внешней среды некоторой контрольной поверхностью.
Метод исследования в термодинамике является макроскопическим методом.
Для точной характеристики макроструктурных свойств системы используются величины макроскопической концепции:
- природа:
- температура;
- давление;
- удельный объем.
Особенность термодинамического метода заключается в том, что его базой выступает единственный фундаментальный закон природы - закон превращения и сохранения энергии. Это означает, что все ключевые соотношения, составляющие основу математического аппарата, выводятся только из этого положения.
Основы гидравлики и термодинамики
При изучении основ гидравлики и термодинамики необходимо опираться на представления тех разделов физики, которые помогут лучше освоить и понять принцип функционала гидравлических машин.
Все физические тела состоят из атомов, находящиеся в постоянном движении. Такие элементы притягиваются на относительно небольшом расстоянии и отталкиваются на достаточно близком. В центре мельчайшей частицы находится положительно заряженное ядро, вокруг которого хаотично перемещаются электроны, формируя электронные оболочки.
Физическая величина — это количественное описание свойств материального тела, которое имеет собственную единицу измерения.
Почти полтора столетия назад немецкий физик К. Гаусс доказал, что, если выбрать самостоятельные единицы измерений нескольких параметров, то на их основе посредством физических законов возможно установить единицы величин, входящих в абсолютно любой раздел физики.
Единица измерения скорости в гидравлике является производной единицей концепции, полученной из единиц системы в виде метра и секунды. Рассмотренные физические величины (ускорение, скорость, вес) определяются в термодинамике с помощью основных единиц измерения и имеют размерность. Несмотря на наличие молекулярных сил, молекулы воды всегда находятся в постоянном движении. Чем выше температура жидкого вещества, тем быстрее движутся его составные части.
Остановимся подробнее на некоторых физических свойствах жидкостей и газов. Жидкости и газы в гидравлической системе могут легко деформироваться, сохраняя изначальный объем. В термодинамической системе все выглядит совершенно иначе. Для такой деформации в термодинамике не нужно совершать какую-либо механическую работу. Это означает, что действующие в определенной концепции элементы слабо сопротивляются вероятному сдвигу.
