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

Единица	Па	кгс/м^2	ат(кгс/см^2)	мм вод.ст	мм рт. ст.
1 Па	1	0,102	0,102 ^.10^-4	0,102	7,50 ^.10^-3
1 кгс/м^2	9,8	1	10^-4	1	73,56 ^.10^-3
1 кгс/см^2	9,8 ^.10^4	10^4	1	10^4	735,56
1 мм вод.ст	9,8	1	10^-4	1	73,56 ^.10^-3
1 мм рт.ст	133,32	13,59	13,59	13,59	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.

 

Термодинамическая система

 

Объект изучения в термодинамике называется термодинамической системой, а все, что лежит вне его границ, – окружающей средой. Термодинамической системой называется совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией как друг с другом, так и с окружающей (внешней) средой.

Простейшим примером термодинамической системы (тела) может служить газ, находящийся в цилиндре с поршнем. К окружающей среде следует отнести цилиндр и поршень, воздух, который окружает их, стены помещения, где находится цилиндр с поршнем, и т. д.

Если термодинамическая система не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, то ее называют изолированной, или замкнутой, системой.

Система, окруженная так называемой адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с окружающей средой, называется теплоизолированной, или адиабатной. Системой. Примером теплоизолированной системы является рабочее тело, находящееся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между рабочим телом и окружающей средой.

 

Термодинамический процесс

 

Основные термодинамические параметры состояния р, υ и Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны определенным математическим уравнением вида

 

F(ρ,υ,Т)=0,                                                (1.8)

которое в термодинамике называют уравнением состояния. Если известно уравнение состояния, то для определения состояния рабочего тела достаточно знать две независимые переменные из числа трех:

 

р= f₁ (υ, T); υ= f₂ (p, T); T= f₃ (υ, p).                        (1.9)

 

Если внешние условия, в которых находится термодинамическая система, изменяются, то будет изменяться и состояние системы. Совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного равновесного состояния в другое называют термодинамическим процессом.

Под равновесным состоянием тела понимают такое, при котором во всех точках его объема давление, температура, удельный объем и все другие физические свойства одинаковы.

Процесс изменения состояния системы может быть равновесным и неравновесным. Если процесс, протекая, проходит через равновесные состояния, то его называют равновесным или обратимым.

Термодинамика в первую очередь рассматривает равновесные состояния и равновесные процессы изменения состояния термодинамической системы. Только равновесные состояния могут быть описаны количественно с помощью уравнения состояния.

Равновесный процесс можно осуществить при бесконечно медленном изменении внешних условий или когда изменения параметров, характеризующих состояние системы, бесконечно малы по сравнению со значениями самих параметров. Следовательно, реальные процессы, будучи неравновесными, могут лишь в той или иной степени приближаться к равновесным, никогда в точности с ними не совпадая. Их называют необратимыми процессами.

С математической точки зрения уравнение состояния (1.8) в трехосной системе координат р, υ  и Т  выражает некоторую поверхность, которая называется термодинамической поверхностью.

В технической термодинамике для исследования равновесных термодинамических процессов чаще всего применяют двухосную систему координат pυ, в которой осью абсцисс является удельный объем, а осью ординат – давление.

Изменение параметра состояния в любом термодинамическом процессе не зависит от вида процесса, а целиком определяется начальным и конечным состояниями. Поэтому можно сказать, что любой параметр состояния является также функцией состояния.

 

 

Теплота и работа

 

Диалектический материализм учит, что неотъемлемым свойством материи является движение; оно неуничтожаемо, как сама материя. Движение материи проявляется в разных формах, которые могут переходить одна в другую. Мерой движения материи является энергия.

Как показывают опыты, при протекании термодинамического процесса тела, участвующие в этом процессе, обмениваются между собой энергией. В результате энергия одних тел увеличивается, а других – уменьшается.

Передача энергии в процессе от одного тела к другому может происходить двумя способами.

Первый способ передачи энергии реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел. При этом энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому, т. е. от тела, имеющего большую среднюю кинетическую энергию молекул, к телу, с меньшей средней кинетической энергией молекул. Количество энергии, переданной первым способом от одного тела к другому, называют количеством теплоты, а сам способ – передачей энергии в форме теплоты. Количество энергии, полученное телом в форме теплоты, будем в дальнейшем называть подведенной (сообщенной) теплотой, а количество энергии, отданное телом в форме теплоты, – отведенной (отнятой) теплотой.

Теплота, так же как и любая энергия, измеряется в джоулях или килоджоулях. Принято обозначать произвольное количество теплоты через Q, а удельное (отнесенное к 1 кг) – через q. Подведенная теплота считается положительной, отведенная – отрицательной.

Второй способ передачи энергии связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления. Иначе говоря, передача энергии в этом случае происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве.

Этот способ называется передачей энергии в форме работы, а количество переданной энергии в процессе – работой.

Количество энергии, полученное телом в форме работы, будем называть далее совершенной над телом работой, а отданную энергию в форме работы – затраченной телом работой. Работа также измеряется в джоулях или килоджоулях. Затраченная телом работа считается положительной, а совершенная над телом работа – отрицательной.

Произвольное количество энергии, переданное в форме работы, обозначают через L, а удельное – через l.

В общем случае передача энергии в форме теплоты и в форме работы может происходить одновременно. При этом важно отметить, что в различных термодинамических процессах в зависимости от условий их протекания количество теплоты и работы будет различно.

Следовательно, теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи движения от одних тел материального мира к другим.

Работа представляет собой макрофизическую форму передачи энергии, а теплота есть совокупность микрофизических процессов, поскольку передача энергии этим способом происходит на молекулярном уровне без видимого движения тел. Количества теплоты и работы являются мерами энергии, переданной телам в форме работы и в форме теплоты.

Количество теплоты, полученное телом, и работа, произведенная телом, зависят от условий перехода тела из начального в конечное состояние, т. е. зависят от характера процесса.