2 Вопрос. Параметры состояния рабочего тела

В зависимости от внешних условий один и тот же газ может находиться в различных состояниях. Каждое из таких состояний может быть охарактеризовано конкретными значениями ряда макроскопических (т.е. относящихся ко всему газу в целом) величин, называемых термодинамическими параметрами. Это означает, что каждому состоянию газа соответствует одно и только одно значение каждого из термодинамических параметров.

Чтобы однозначно характеризовать состояние газа, нет необходимости задавать значения всех параметров. Вполне достаточно для этого трех (любых), поэтому в технической термодинамике в качестве основных используются те три параметра, которые имеют конкретный физический смысл и могут быть непосредственно измерены техническими средствами – удельный объем, давление и температура. Совокупность этих трех параметров характеризует тепловое состояние тела, поэтому их называют термическими параметрами.

Удельным объемом газа, обозначаемым буквой , называется объем, занимаемый 1 кг данного газа. Так, если масса всего газа равна М кг, а полный объем V м³, то удельный объем его составляет

, м³/кг. (1.1)

Величина, обратная удельному объему, т.е. масса газа, заключенная в 1м³ его, называется плотностью и обозначается буквой . Очевидно, что

, кг/м³ .

Абсолютное давление газа, обозначаемое буквой , является средним результатом ударов молекул о поверхность, ограничивающую объем, занимаемый газом. Оно представляет собой силу, отнесенную к единице площади этой поверхности и действующую со стороны газа в направлении, нормальном по отношению к ней. Поэтому в системе СИ основной единицей давления является 1 Н/м². Кроме того, в технике широко применяются удобные для практики единицы: бар (1 бар = 10⁵ Н/м²), атмосфера

(1ат = 10000 кгс/ м²), миллиметр ртутного столба (1 мм.рт.ст= 13,6 кгс/м²), миллиметр водяного столба (1мм.вод.ст.= 1 кгс/м²).

Давление земной атмосферы завистит от высоты и метеорологических условий в данный момент. В среднем на уровнем моря оно равно

760 мм.рт.ст. = 1,03 ат. Эта величина называется нормальным давлением.

Если абсолютное давление газа в сосуде больше атмосферного, то разность между ними называется избыточным давлением. Если же абсолютное давление газа меньше атмосферного, то разность между ними называется разрежением или вакуумом.

Абсолютная температура газа, обозначаемая буквой Т, является мерой интенсивности хаотического движения его молекул и измеряется в градусах.

При тепловом равновесии двух тел, когда теплообмен между ними отсутствует, температуры их одинаковы. А поскольку при этом равны и средние кинетические энергии поступательного движения молекул этих тел, то очевидно, что между ними существует прямая связь. Эта связь дается выражением

, (1.3)

где m – масса одной молекулы;

 – средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул;

– постоянная Больцмана ( = 1,38 10^-23 Дж/град).

Приведенное выражение показывает, что абсолютная температура всегда положительна, а нулевое значение ее соответствует состоянию полного покоя молекул.

Шкала, в которой температура отсчитывается от этого состояния, называется шкалой Кельвина. Измеренная по этой шкале температура обозначается через Т К. В технике же принята международная стоградусная шкала (шкала Цельсия), в которой отсчет ведется от состояния тающего льда при нормальном давлении (соответствующая абсолютной температуре Т = 273,15 К). Измеренная по этой шкале температура обозначается через t ⁰С. Величина градуса в обеих шкалах одинакова, поэтому пересчет с одной шкалы в другую производится по формуле

Наиболее естественным является такое состояние газа, при котором удельный объем, давление и температура, а вместе с ними и все остальные параметры, имеют одинаковое значение во всех точках объема, занимаемого газом. Такое термодинамическое состояние газа называется равновесным. Внешние воздействия (например, односторонний нагрев или перемещение поршня в цилиндре, заполненном газом) нарушают равновесие, и параметры газа перестают быть одинаковыми во всех точках, но после того, как внешнее возмущение прекратится, газ вновь приходит самопроизвольно к состоянию равновесия.

Отсюда видно, что всякий реальный процесс перехода газа из одного состояния в другое неизбежно связан с нарушением термодинамического равновесия, и каждое из промежуточных состояний его является неравновесным.

Значение каждого из термических параметров p, и Т, определяется одними и теми же факторами, а именно – скоростью движения молекул и средним расстоянием между ними, которые для каждого конкретного состояния газа имеют вполне определенную величину. Поэтому они связаны между собой однозначной зависимостью, которая аналитически выражается в общем виде уравнением

,

которое называется термическим уравнением состояния.

.

Эти уравнения показывают, что из трех параметров, определяющих состояние газа, независимыми являются только два, а третий является их функцией. Следовательно, термодинамическое состояние газа можно считать известным, если заданы значения двух его параметров, поскольку третий параметр может быть вычислен из уравнения состояния.