Основные понятия термодинамики Термодинамическая система
Термодинамической системой будем называть совокупность тел, взаимодействующих между собой. Все, что лежит вне термодинамической системы, называется окружающей средой. Если термодинамическая система не взаимодействует с окружающей средой, то такая система называется изолированной. Примером термодинамической системы можно рассматривать продукты сгорания топлива (газы) в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, а окружающей средой являются стенки цилиндра, поршень, крышка цилиндра и т.д.
Рабочее тело. Рабочим телом будем называть вещество, способное воспринимать тепло и совершать работу. Больше всего для этой цели пригодны газы и пары, т.к. они в наибольшей степени склонны к расширению при нагревании.
Термодинамическое состояние рабочих тел определяется рядом физических величин, называемых параметрами состояния.
1. Абсолютное давление. Давление обуславливается непрерывными ударами молекул о стенки сосуда, в который заключен газ и представляет собой силу, отнесенную к единице поверхности.
В системе СИ за единицу давления принят 1 Па, представляющий нормальную силу в 1 Ньютон, действующую на 1 м2 (Н/м2). Ввиду малости этой величины пользуются величиной 1 бар = 105 Па.
Для измерения давления используются и внесистемные единицы: атмосфера, мм. рт. столба или водяного столба. Соотношение между единицами измерения давления приведены в табл. 1.
Таблица 1
Единица измерения давления |
Наименование единицы измерения давления |
||||
Па |
бар |
кг/см2 |
мм.рт.ст |
мм.вод.ст |
|
1 Па |
1 |
10–5 |
1,02·10–5 |
7,5·10–3 |
0,102 |
1 бар |
105 |
1 |
1,02 |
7,5·10–2 |
1,02·104 |
1 кг/см2 |
9,81·104 |
0,981 |
1 |
735 |
104 |
1 мм.рт.ст |
133 |
1,33·10–3 |
1,36·103 |
1 |
13,6 |
1 мм.вод.ст |
9,81 |
9,81·10-5 |
10–4 |
7,35·10–2 |
1 |
Для измерения давления используются приборы: манометры, вакуумеры и барометры.
На рис. 1 представлена схема измерения давления с помощью простейшего U-образного манометра, представляющего собой U-образную трубку, заполненную манометрической жидкостью, одним концом соединенную с сосудом, в котором измеряется давление, другой конец сообщается с атмосферой.
Рис. 1
Абсолютное давление в сосуде определяется
а) Ра = Ратм + Рман Ра > Ратм
б) Ра = Ратм + Рвак Ра < Ратм
2. Удельный объем
Удельным объемом будем называть объем единицы массы:
,
м3/кг.
Часто используется в термодинамических расчетах величина плотности. Плотностью будем называть массу единицы объема:
,
кг/м3.
Удельный объем и плотность связаны соотношением:
.
3. Абсолютная температура
С позиций молекулярно-кинетической теории строения вещества абсолютная температура является мерой кинетической энергии поступательного движения молекул.
,
где m – масса молекул;
W – средняя скорость поступательного движения молекул;
K – постоянная Больцмана;
T – абсолютная температура.
Если два тела с различными температурами привести в соприкосновение, то кинетическая энергия молекул одного тела с большей температурой, будет передана молекулам другого тела с меньшей температурой.
Температура измеряется с помощью термометров, имеющих различные температурные шкалы.
Абсолютная температура измеряется в Кельвинах (К) а сама температурная шкала в честь английского физика Кельвина названа шкалой Кельвина.
Абсолютная температура должна принимать значение, равное нулю (Т = 0) при условии прекращения теплового движения молекул. Эта предельно минимальная температура, называемая температурой абсолютного нуля, принимается за начало отсчета абсолютной температуры, а температура тройной точки воды равна 273,16 К.
Тройной точкой называется состояние, при котором лед, вода и пар находятся в равновесии.
Таким образом, 1 Кельвин равен 1/273,16 части интервала температур от 0 до 273,16.
В практических расчетах зачастую используют шкалу температур Цельсия. За начало отсчета температуры, по шкале Цельсия (t = 0 С) принята температура тройной точки вода, а за 100 С температура кипения воды при нормальном давлении.
Абсолютная температура связана с температурой, измеренной по шкале Цельсия следующим соотношением:
.
Заметим, что Δt = ΔT.