1. Основные понятия термодинамики

1.1. Предмет термодинамики

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях.

На её основе осуществляют расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного теплотехнического оборудования.

1.2. Термодинамическая система

Термодинамическая система – это совокупность тел, взаимодействующих между собой и с окружающей средой.

Термодинамическая система может обмениваться с окружающей средой энергией, теплом и массой.

Если такой обмен исключен, система называется изолированной, если отсутствует теплообмен – адиабатной, если отсутствует массообмен – закрытой, при наличии массообмена – открытой. Пример закрытой термодинамической системы – газ, заключенный в цилиндре под поршнем, внешняя среда – окружающий воздух. Поток газа или пара в турбине или трубопроводе – открытая термодинамическая система. Газ, находящийся в закрытой емкости с идеальной тепловой изоляцией, – изолированная и одновременно адиабатная система.

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело (газ или пар), с помощью которого в тепловом двигателе осуществляется превращение теплоты в работу. Например, в двигателях внутреннего сгорания рабочим телом являются продукты сгорания топлива, в паротурбинных установках – водяной пар.

1.3. Термические параметры состояния

Свойства рабочих тел характеризуются параметрами состояния. Термическими параметрами состояния являются: абсолютное давление p, абсолютная температура Т, удельный объем v.

1. Абсолютное давление (p) отсчитывается от 0. Избыточное давление (p_u) отсчитывается от уровня атмосферного давления и измеряется манометром (жидкостным или пружинным). Атмосферное давление (p_б) измеряется барометром. Приборы для измерения давления ниже атмосферного называются вакуумметрами и измеряют разрежение (p_p).

Связи между абсолютным давлением p и давлениями, измеренными с помощью приборов,

	(1.1)
	(1.2)

наглядно подтверждаются рис. 1.1.

В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях (1Па = 1 Н/м²). Используются и другие единицы измерения давления (бар, мм рт. ст., ат…):

1бар =10⁵ Па=10² кПа = 0,1 МПа = 750 мм рт.ст.,

1ат = 1 кг/см² = 735,6 мм рт. ст.,

1 физ. атм = 760 мм рт. ст.

2. Абсолютная температура T измеряется в градусах Кельвина (К)

,

где t, ⁰C – температура в градусах Цельсия, определяемая с помощью термометров, пирометров, термопар и других приборов и устройств.

3. Удельный объем (v) – это объем единицы массы вещества v=V/M, м³/кг, величина, обратная плотности v = 1/.

Для сравнения термодинамических систем в одинаковых состояниях вводится понятие «нормальные физические условия»: p = 101,325 кПа (760 мм рт. ст.), T = 273,15 К (t = 0 ⁰C).

1.4. Уравнение состояния

Связь между параметрами p, v, T называется термическим уравнением состояния

или

.

Эти уравнения показывают, что из трех параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два.

Конкретный вид уравнения состояния зависит от свойств веществ.

Для идеального газа термическое уравнение состояния имеет вид:

	(1.3)
	(1.4)
	(1.5)
	(1.6)

В уравнениях (1.3) – (1.6) используются следующие обозначения: p – абсолютное давление, Па; v – удельный объем, м³/кг; T – абсолютная температура, К; M – масса газа, кг; V – объем газа, м³; V – объем 1 киломоля газа, м³/кмоль; - число киломолей газа; – мольная масса газа, кг/кмоль; R_ = 8314 Дж/(кмольК) – универсальная газовая постоянная; R = – газовая постоянная, Дж/(кгК).

В реальных газах, в отличие от идеальных, существенны силы межмолекулярных взаимодействий, и нельзя пренебречь собственным объемом молекул. Термическое уравнение состояния реального газа можно представить в виде

,

(1.7)

где - коэффициент сжимаемости.

Вся сложность расчетов по уравнению (1.7) состоит в определении коэффициента сжимаемости. Реальные газы при T  или становятся идеальными, при этом z = 1.

Понятие идеального газа является научной абстракцией, моделью реального газа, дающей хорошую сходимость с практикой. Для состояний газа, близких к состоянию сжижения (насыщенного пара) модель идеального газа неприемлема.