ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Способность рабочего тела и совершать работу, и вступать в теплообмен при изменении его объема и соответственно энтропии позволяет использовать рабочее тело для превращения теплового потока в поток, образующийся при совершаемой работы, а также и для обратного превращения – работы в тепловой поток. Первый вид превращения совершается в теплосиловых установках (двигателях) электростанций и транспортных средств, второй – в холодильных машинах и тепловых насосах, а также в процессах трения.

Поэтому изучение свойств рабочего тела и его способностей к преобразованию потоков энергии – работы и теплового потока – друг в друга является важнейшей задачей технической термодинамики.

Равновесные состояния

Если внутри термодинамической системы между ее частями нет переноса массы (перемешивания) и переноса энергии (в формах работы или теплообмена), соответственно если система находится в состоянии внутреннего и внешнего покоя, то такую систему называют равновесной. Если неравновесную систему изолировать от внешней среды, то она рано или поздно перейдет самопроизвольно в равновесное состояние.

Мы принимаем также, что равновесное состояние характеризуется также однородностью свойств во всех частях системы и поэтому определяется минимальным числом параметров по сравнению с неравновесным состоянием. В частности, равновесное состояние большинства рабочих тел определяется двумя параметрами состояния. Остальные параметры зависят от первых двух.

Основные параметры равновесного состояния

Равновесное состояние термодинамической системы описывают, указывая значения ее параметров состояния.

Параметрами состояния равновесной термодинамической системы являются:

v, м³/кг - удельный объем;

р, Па - давление;

t, ^оС - температура.

Эти первые три параметра называются термическими. Они могут быть непосредственно измерены, например, ареометрами, манометрами, термометрами. Следующая группа параметров называется калорическими параметрами состояния. Их называют также функциями состояния, поскольку их значения в таблицах представлены как функции термических параметров. Эти табличные значения - результат сложных и дорогостоящих исследований. Калорическими параметрами являются:

u, кДж/кг - удельная (отнесенная к одному кг) внутренняя энергия;

h, кДж/кг - удельная энтальпия;

s, кДж/кг/К - удельная энтропия.

Давление

Давление газов, паров измеряют манометрами. Вследствие конструктивных особенностей манометров приходится различать абсолютное и избыточное давление. То давление, которое газ оказывает на стенки сосуда, называют абсолютным. Однако манометры измеряют не абсолютное давление, а разность между абсолютным и атмосферным давлением. Эту разность, т.е. непосредственно показания манометра называют избыточным давлением. Чтобы в практической работе на производстве пользоваться таблицами термодинамических свойств рабочих тел, необходимо уметь переводить показания манометра (избыточное давление) в собственно давление газа или пара на стенки (абсолютное давление).

Принимаются следующие обозначения:

р_а (или просто р) - абсолютное давление, в таблицах выражается обычно в килопаскалях (кПа) или мегапаскалях (МПа), а иногда в барах (бар);

р_и - избыточное давление (по манометру), причем это давление на шкалах манометров принято выражать в старой системе единиц, т.е. в кГс/см² (килограмм-сила на квадратный сантиметр),

В - барометрическое, или атмосферное давление, измеряемое по барометру, отградуированному обычно в мм рт.ст.

Вычисление абсолютного давления производится по формуле

р_а = р_и + В . (1-1)

Чтобы воспользоваться этой формулой, надо уметь выразить кГс/см² и мм рт.ст. в кПа или МПа. В приближенных расчетах (прикидках) при невысоких давлениях можно (с целью упростить и ускорить расчет) принять, что

1 кГс/см² 1 бар = 100кПа = 0,1 МПа,

В 1 бар = 100 кПа = 0,1 МПа.

Температура

Как уже отмечалось, под термодинамическим равновесием понимается состояние покоя всех частей равновесной термодинамической системы. Причем, для термодинамического равновесия недостаточно, чтобы выполнялись условия только механического равновесия. Как показывает опыт, обобщенный т.н. нулевым законом термодинамики, равновесное состояние термодинамической системы достигается только при необходимом дополнительном условии - равенстве температур каждой из частей системы. А если система не изолирована от внешней среды, то для термического равновесия необходимо также и равенство температур системы и среды.

Шкала температур, показывающая, какая температура и на сколько выше, исторически была определена выбором термометрических тел, свойства которых, например, удельный объем или электрическое сопротивление монотонно изменяются с изменением температуры. Температурной шкалой, не зависящей от природы термометрического тела, является термодинамическая шкала температур. Абсолютная термодинамическая шкала температур выражается в кельвинах и обозначаемая через Т. Соотношение между нею и стоградусной шкалой, обозначаемой через t и измеряемой в ⁰С, имеет вид

T = t + 273,15.

Термодинамическая шкала температур в кельвинах является и абсолютной, поскольку в силу т.н. третьего закона термодинамики равновесные системы при Т = 0 должны находиться в состоянии, практически недостижимом.