Параметры и функции состояния рабочего тела. Равновесные и неравновесные рабочие тела.

1.1. Параметры состояния

Все величины, характеризующие текущее состояние рабочего тела носят название параметров состояния.

К основным параметрам состояния рабочего тела относятся давление, удельный объём (плотность) и температура.

Давление p численно равно силе, с которой рабочее тело действует на единицу контрольной поверхности в направлении нормали.

Различают давление абсолютное и избыточное.

Абсолютное давление p - давление на контрольную поверхность.

Избыточное давление p_изб - давление, измеренное манометром, который находится в атмосфере, имеющей определённое давление р_ат. Абсолютное, избыточное и атмосферное давления взаимосвязаны между собой:

Взаимосвязь между единицами измерения давления

Плотность r рабочего тела (вещества) численно равна массе единицы объёма вещества

Удельный объём v рабочего тела (вещества) численно равен объему единицы массы вещества.

где G - масса рабочего тела, V – объём рабочего тела.

Температура рабочего тела (вещества) представляет собой характеристику степени нагретости тела.

Существует много шкал отсчёта температуры.

В системе СИ отсчёт ведётся по шкале Кельвина, где в качестве начала отсчёта принят абсолютный нуль температуры.

Широко используется шкала Цельсия, где в качестве начала отсчёта принята температура таяния льда.

Цена градуса в обоих шкалах одинакова

где T - температура по шкале Кельвина (абсолютная температура);

t - температура по шкале Цельсия;

Скорость движения газа w также является: параметром состояния для движущегося газа

1.2. Функции состояния

Существует целый ряд величин, которые характеризуют текущее состояние рабочего тела и могут быть выражены через перечисленные выше параметры состояния рабочего тела. Эти величины носят название функций состояния. К ним относят: полную, внутреннюю, механическую энергии, энтропию, энтальпию, эксергию и ряд других величин.

Полная энергия рабочего тела складывается из его внутренней и механической (внешней) энергии.

(2.1)

где E, U и E_мех полная, внутренняя и механическая энергии соответственно.

Под внутренней энергией в ТТД понимают кинетическую энергию хаотического поступательного и вращательного движения молекул, кинетическую энергию колебательного движения атомов в молекулах и потенциальную энергию взаимодействия между молекулами.

Механическая энергия рабочего тела складывается из кинетической энергии поступательного движения рабочего тела как единого целого и потенциальной энергии его взаимодействия с гравитационным полем земли

где Е_кин и Е_пот - кинетическая и потенциальная энергии рабочего тела.

где - ускорение свободного падения;

h - высота рабочего тела над уровнем отсчета.

Разделим (2.1) и (2.2) на массу рабочего тела G и получим

где e, u, e_мех, e_кин и e_пот - удельные полная, внутренняя, механическая, кинетическая и потенциальная энергии рабочего тела

1 кг вещества содержит определённое число молекул. Тогда удельная внутренняя энергия будет представлять собой кинетическую энергию хаотического движения молекул и потенциальную энергию взаимодействия между молекулами.

Кинетическая энергия хаотического движения молекул может быть выражена через температуру рабочего тела.

Потенциальная энергия взаимодействия между молекулами зависит от расстояния между ними, которое тем больше, чем больше удельный объём или меньше плотность рабочего тела.

Тогда в общем случае для и можно записать

(2.3)

Составляющие механической энергии определятся выражениями

В тепловых машинах изменение потенциальной энергии рабочего тела по сравнению с изменением других видов энергии пренебрежимо мало, поэтому обычно в ТТД не рассматривается.

Энтальпия рабочего тела Н представляет собой функцию состояния, определяемую выражением

(2.4)

или в удельных величинах

(2.5)

где h - удельная энтальпия рабочего тела.

Энтропия* рабочего тела S представляет собой функцию состояния определяемую выражением

(2.6)

dQ - элементарное количество тепла, подведённое к рабочему телу.

В удельных величинах

(2.7)

где - удельное количество подведенного тепла

1.3. Равновесные и неравновесные рабочие тела

Рабочее тело, во всех точках которого параметры состояния имеют одинаковое значение называются равновесным рабочим телом.

Рабочее тело, которое имеет разные значения параметров состояния в разных точках носит название неравновесного рабочего тела.