Раздел 1. Техническая термодинамика
1. Основные понятия и определения термодинамики
1.1. Термодинамическая система
Термодинамической системой (ТДС) называют совокупность материальных тел, выделенных из окружающего мира с целью их исследования. Часть материального мира, остающуюся за пределами ТДС, принято называть окружающей средой (ОС). ТДС и ОС разделены границей, которая может быть как реальной, так и мысленной.
Тело ТДС, являющееся носителем энергии и обеспечивающее преобразование последней, считают рабочим телом ТДС.
В процессе преобразования и передачи энергии ТДС и ОС взаимодействуют, причем они могут обмениваться и энергией, и веществом. ТДС, не обменивающаяся с ОС ни веществом, ни энергией, является полностью изолированной. ТДС, обменивающуюся с ОС только веществом, называют открытой (в противном случае – закрытой). Если ТДС не обменивается с ОС энергией, ее считают адиабатной.
1.2. Термодинамическое состояние системы
Совокупность уровней физических свойств ТДС в рассматриваемый момент времени называют термодинамическим состоянием системы.
В процессе изменения состояния ТДС меняются и уровни ее физических свойств. Каждый из уровней принято оценивать значением исследуемого параметра (давления, температуры и т.д.).
Совокупность термодинамических параметров, полностью определяющая состояние ТДС, называется совокупностью независимых параметров. Остальные параметры относятся к группе зависимых. Практически каждый физический параметр (в зависимости от особенностей решаемой задачи) может быть отнесен как к независимым, так и к зависимым.
Чаще всего в качестве независимых выбираются наиболее простые параметры, легко измеряемые опытным путем. В технической термодинамике за независимые параметры принимают обычно давление p, температуру T, удельный объем v, плотность ρ, массу m и количество вещества n.
Необходимо отметить, что термодинамика изучает только равновесные ТДС, т.е. такие, в которых значения физических параметров по всему объему одинаковы (изменение состояния происходит мгновенно).
1.3. Основные термодинамические параметры
Давлением называют физический параметр, характеризующий силовое воздействие рабочего тела (хаотически движущихся молекул) на границу ТДС. Основной единицей измерения давления в системе СИ служит “паскаль” [Па]. Иногда используется единица измерения [КГс/см2] или “техническая атмосфера”. При проведении исследований необходимо различать такие типы (виды) давления, как абсолютное раб, манометрическое рм, барометрическое рб и вакуумированное рв (см. рис. 1).
Рис. 1. Схема для определения абсолютного давления при работе на расширение (раб1) и разрежение (раб2)
Принципиальная схема определения манометрического (избыточного) давления, измеряемого с помощью манометров, и барометрического (атмосферного) давления, измеряемого барометрами, ясна из рис. 2.
В формулах, выражающих закономерности термодинамики, используется только абсолютное давление. Как видно из рис. 1, при работе на расширение оно составляет –
раб = рб + рм,
а при работе на разрежение –
раб = рб – рв.
Рис. 2. Принципы действия манометров и барометров
При исследовании открытых ТДС следует различать так же статическое и полное давление потока рабочего тела. Статическое равно давлению, действующему на границу ТДС, параллельную вектору скорости потока. Полное включает динамическую составляющую, равную давлению, получаемому при торможении движущегося потока.
Температура характеризует степень нагретости тела. Этот параметр определяет кинематическую энергию движения молекул и фактически является ее косвенной мерой.
Единицами измерения температуры служат “градусы Кельвина” [К] и “Цельсия” [оС], численно равные между собой. В расчетных формулах термодинамики используется только абсолютная температура Т, измеряемая в “градусах Кельвина” (см. рис. 3).
Удельный объем представляет собой отношение объема тела к его массе. Единицей измерения удельного объема в системе СИ служит [м3/кг].
Плотность – величина, обратная удельному объему, т.е. отношение массы тела к его объему, ρ = 1/v. Основной единицей измерения плотности является [кг/м3].
Единицей количества вещества n служит [моль], равный числу элементарных частиц вещества (атомов или молекул), когда оно соответствует числу Авогадро, т.е. 6∙1023 частиц.
Молярным объемом Vµ называют отношение объема рабочего тела к числу его молей. Единицей измерения молярного объема является [м3/моль].
Атомной единицей массы считают массу 1/12 части атома углерода. Единицей измерения ее служит [кг].
Молекулярная масса М представляет собой массу молекулы тела, выраженную в атомных единицах массы, и является величиной безразмерной.
Молярная масса µ – масса одного моля вещества. Единицей ее измерения служит [кг/моль]. Т.к. эта единица мала, чаще используют кратную ей единицу [кг/кмоль].
Молярная масса определяется через молекулярную соотношением –
М = µ. [кг/кмоль]
Рис. 3. Шкалы Кельвина и Цельсия (в “тройной” точке вода может одновременно существовать в трех фазах – твердой, жидкой и газообразной)