Основные термодинамические параметры состояния

Предмет технической термодинамики и ее задачи

Термодинамика, являясь разделом теоретической физики, представляет собой одну из самых обширных областей современного естествознания – науку о превращениях различных видов энергии друг в друга. Это наука рассматривает самые разнообразные явления природы и охватывает огромную область химических, механических и физико-химических явлений.

Техническая термодинамика – раздел общей термодинамики, изучающий закономерности взаимного превращения теплоты в работу. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.

В теоретической части техническая термодинамика является общим отделом науки об энергии, а в прикладной части представляет собой теоретический фундамент всей теплотехники, изучающей процессы, протекающие в тепловых двигателях и тепловых машинах.

Основные термодинамические параметры состояния

В тепловых двигателях преобразование теплоты в работу осуществляется с помощью так называемого рабочего тела. Например, в двигателях внутреннего сгорания, а также в газотурбинных установках рассматриваются процессы, в которых рабочим телом является газ. В паровых двигателях рассматриваются процессы, в которых рабочим телом является пар, легко переходящий из парообразного состояния в жидкое и, наоборот, из жидкого в парообразное.

Физическое состояние тела вполне определяется некоторыми величинами, характеризующими данное состояние, которые в термодинамике называют параметрами состояния.

При отсутствии силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) состояние однородного тела может быть однозначно определено тремя параметрами, в качестве которых в технической термодинамике принимают удельный объем, абсолютную температуру и давление.

Эти три параметра, называемые обычно основными, не являются независимыми величинами и, как будет показано далее, связаны между собой вполне определенными математическими зависимостями.

Удельный объем. Удельным объемом однородного вещества называется объем, занимаемый единицей массы данного вещества. В технической термодинамике удельный объем обозначается и измеряется в м³/кг:

(1.1)

где V – объем произвольного количества вещества, м³; m – масса этого вещества, кг.

Плотность тела определяется как масса единицы объема и измеряется в кг/м³:

. (1.2)

Удельный объем есть величина, обратная плотности, т. е.

. (1.3)

Давление. Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенки сосуда, в котором заключен газ, и представляет собой нормальную составляющую силы, действующей на единицу поверхности.

В системе СИ давление измеряется в ньютонах на квадратный метр (н/м²).

В практических расчетах возможно применение кратных и дольных единиц измерения давления: килоньютон на 1 м² (кн/м²), меганьютон на 1 м² (Мн/м²); часто давление измеряется во внесистемных единицах – барах (1 бар = 10⁶ н/м²). Однако необходимо помнить, что во все термодинамические формулы давление должно подставляться в ньютонах на квадратный метр (н/м²).

Для измерения давлений применяют барометры и манометры, а для измерения разрежения – вакуумметры. Барометрами измеряют атмосферное давление, а манометрами – давление, превышающее атмосферное. Давление, превышающее атмосферное, называют избыточным.

Термодинамическим параметром состояния является только абсолютное давление. Абсолютным давлением называют давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления или от абсолютного вакуума.

При определении абсолютного давления различают два случая: 1) когда давление в сосуде больше атмосферного и 2) когда оно меньше атмосферного. В первом случае абсолютное давление в сосуде равно сумме показаний манометра и барометра (рис. 1.1):

. (1.4)

Если величина барометрического давления неизвестна, то при выражении давления в барах абсолютное давление Р_a6c=Р_изб + l.

Во втором случае абсолютное давление в сосуде равно показанию барометра минус показание вакуумметра (рис. 1.1):

. (1.5)

Избыточное давление и разрежение не являются параметрами состояния, так как они при одном и том же абсолютном давлении могут принимать различные значения в зависимости от величины атмосферного давления.

В табл. 1.1 приведены соотношения между различными единицами измерения давления.

Таблица 1.1

Абсолютная температура Т, характеризуя степень нагретости тел, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул, т. е. температура характеризует среднюю интенсивность движения молекул, и чем больше средняя скорость движения молекул, тем выше температура тела.

Абсолютная температура всегда величина положительная. При температуре абсолютного нуля (Т = 0) прекращается тепловое движение молекул ( = 0). Эта предельная минимальная температура и является началом для отсчета абсолютных температур.

ГОСТ 8550–61 предусматривает применение двух температурных шкал: термодинамической температурной шкалы, основанной на втором законе термодинамики, и международной практической температурной шкалы, являющейся практическим осуществлением термодинамической температурной шкалы с помощью реперных (опорных) точек и интерполяционных уравнений.

Измерение температур в каждой из этих шкал может производиться как в градусах Кельвина (°К), так и в градусах Цельсия (°С) в зависимости от принятого начала отсчета (положения нуля) по шкале.

В так называемой тройной точке воды, т. е. в точке, где жидкая, парообразная и твердая фазы находятся в устойчивом равновесии, температура в градусах Кельвина равна 273,16 °К (точно), а в градусах Цельсия 0,01° С.

Следовательно, между температурами, выраженными в градусах Кельвина и градусах Цельсия, имеется следующее соотношение:

Т °К=273,15+t° С. (1.7)

Параметром состояния является абсолютная температура, измеряемая в градусах Кельвина. Градус абсолютной шкалы численно равен градусу шкалы Цельсия, так что dT = dt.