Параметры состояния рабочего тела

Изменение состояния газа обычно происходит в результате сообщения ему или отнятия от него теплоты или от внешних механических воздействий.

Множество физических величин, определяющих состояние системы в данный момент времени, называются параметрами состояния. В технической термодинамике состояние газа принято оценивать следующими тремя основными термодинамическими параметрами: Р – абсолютное давление (Па), ν – удельный объем (м³/кг) и абсолютная температура Т (K). Эти параметры называются термическими. Дополнительными параметрами состояния являются: u – внутренняя энергия (Дж/кг), h – энтальпия (Дж/кг) и S – энтропия (Дж/кг·К) – эти параметры называют калорическими.

Различают следующие виды параметров: экстенсивные и интенсивные. Экстенсивные параметры пропорциональны количеству вещества в системе, а интенсивные не зависят от количества вещества и массы системы. К интенсивным параметрам относят давление, температуру, удельный объем и др., а к экстенсивным – теплоемкость, объем, энергию, энтропию, свободную энергию.

Абсолютное давление. В молекулярно-кинетической теории газов давление представляется результатом ударов хаотически движущихся молекул о стенки сосуда и определяется по формуле

, (1.1)

где n – число молекул в объеме; m – масса молекулы; – среднеквадратическая скорость движения молекул.

В технических измерениях давление газа определяют отношением нормально направленной к поверхности силы к площади поверхности dS, т.е.

. (1.2)

Это давление принято называть абсолютным. Оно отсчитывается от 0. По формуле (1.2) Р = 0 при = 0. И только абсолютное давление является параметром состояния, входящим в термодинамические уравнения.

Паскаль – это давление, которое оказывает сила в 1 Ньютон на единицу поверхности 1 м². Эта единица очень мала, поэтому на практике используют более крупные единицы давления: кПа = 10³ Па и МПа = 10⁶ Па.

Для измерения давления существует большое количество приборов, основанных на различных принципах работы. Эти приборы называются манометрами, барометрами и вакуумметрами.

Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление р_изб, представляющее собой разность между абсолютным давлением рабс измеряемой среды и барометрическим давлением B₀, т.е. р_абс = р_изб + В₀.

Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуумметрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума): р_абс = В₀ – р_изб (избыток атмосферного давления над абсолютным).

Абсолютная температура. Согласно молекулярно-кинетической теории газов абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии молекул и ее можно определить по формуле

, (1.3)

где k– постоянная Больцмана, k = 1,380662 × 10^–23 Дж/К;m – масса молекулы; – среднеквадратичная скорость движения молекул.

Из формулы (1.3) следует, что абсолютная температура Т принимает значение, равное нулю при = 0.

По ГОСТ 8550–61 для измерения температуры вводятся две температурные шкалы. По одной шкале температуру измеряют в градусах Кельвина, а по другой в градусах Цельсия.

Первая шкала имеет две точки: одна – абсолютный нуль температур, не воспроизводимый в опыте, и вторая – воспроизводимая опытным путем постоянная точка – тройная точка воды, т.е. такое состояние воды, при котором лед, жидкость и пар находятся в равновесии. Эта точка соответствует 273,16 К и 0,01ºС. В шкале Цельсия температура тройной точки воды принимается за нуль, а температура насыщения воды при давлении 0,1 МПа принимается за 100º. Связь между температурами по шкале Кельвина и Цельсия выражается уравнением Т = t + 273,15 К.

Удельный объем. Удельный объем – объем единицы массы вещества:

м³/кг. (1.4)

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью:

кг/м³. (1.5)

Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях, вводится понятие «нормальные физические условия»: p = = 760 мм рт. ст. = 101325 Па; T = 273,15 K.

В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные от приведенных «нормальные условия». Например, «технические»: p = 735,6 мм рт. ст. = 98 кПа, t = 15ºC и т.д.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным, а система называется равновесной.

Если между различными точками в системе существуют разности температур, давлений и других параметров, то она является неравновесной. В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы.