Основные понятия и определения

Тема 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Термодинамика является наукой, в которой изучаются энергия и законы превращения ее из одних видов в другие.

Раздел этой науки, в котором рассматриваются взаимопревращения тепловой и механической энергии с помощью так называемых рабочих тел, называется технической термодинамикой. Она является основой теории тепловых двигателей и других промышленных установок, так или иначе связанных с взаимопревращениями указанных видов энергии.

Наиболее эффективными рабочими телами будут те, которые обладают резко выраженными упругими свойствами, позволяющими в значительной мере деформироваться (изменять свой объем) под влиянием механических сил (давления) или термических воздействий (тепла, температуры), или, проще говоря, под влиянием комбинированных термомеханических воздействий.

Наблюдая за поведением тел в природе в их различных агрегатных состояниях, можно заметить, что наиболее целесообразными рабочими телами для использования их в различных тепловых устройствах являются газы или пары. Именно они наиболее полно могут быть использованы в процессах преобразования теплоты в механическую работу, так как газы и пары, с одной стороны, легко деформируемы (легко сжимаются, расширяются) под влиянием внешних сил, а с другой стороны, им же свойственны значительные (сравнительно с другими агрегатными состояниями тел) по величине коэффициенты объемного расширения.

Одним из основных в технической термодинамике является понятие о термодинамической системе, представляющей собой совокупность тел, находящихся во взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой. Простым примером термодинамической системы может служить газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем.

Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники теплоты и рабочие тела, которые под воздействием источника теплоты совершают механическую работу.

Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используется ряд показателей, называемых параметрами состояния.

В число основных параметров входят:

- давление р ,

- удельный объем v ,

- плотность (величина, обратная удельному объему),

- абсолютная температура Т.

Последовательность изменения состояния рабочего тела в термодинамической системе называют термодинамическим процессом, основным признаком которого является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

Давление(р) в термодинамике определяется как сила, действующая по нормали на единицу поверхности тела, и измеряется в ньютонах на квадратный метр (Н/м²).

Различают абсолютное и избыточное давление.

Под абсолютным понимают действительное давление рабочего тела внутри сосуда.

Под избыточным давлением понимают разность между абсолютным давлением в сосуде и давлением окружающей среды. Прибор, служащий для измерения этой разности давлений, называют манометром.

Из приведенных выше определений следует, что когда абсолютное давление в сосуде превышает давление окружающей среды, справедливо равенство

Если абсолютное давление меньше давления окружающей среды, то разность между ними называют разрежением или вакуумом. Для измерения его служит вакуумметр — прибор, показывающий разность давления окружающей среды и абсолютного давления газа в сосуде. В этом случае

Для измерения небольших давлений пользуются жидкостными приборами, заполненными водой, ртутью или другой жидкостью.

В системе СИ за единицу давления принят 1 Паскаль (Па), причем
1 Па = 1 Н/м².

В теплотехнических установках приборы чаще всего градуированы в системе МКГСС, в которой за единицу давления принята атмосфера (ат):

1 ат = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м².

Так как 1 кгс = 9,8 Н, то 1 ат = 9,8 • 10⁴ Н/м² = 9,8 • 10⁴ Па, или 1 ат = 98 кПа = 0,098 МПа, а с округлением 1 ат = 0,1 МПа.

Следует также отметить что рабочее тело находится при нормальных физических условиях, если давление его равно 1 ат (р₀ = = 760 мм рт. ст, или 101 325 Н/м²), а температура t₀ = 0 °С.

Под удельным объемом рабочего тела понимают объем, занимаемый массой в 1 кг этого тела. Удельный объем обозначают буквой v, измеряют в кубических метрах на килограмм (м³/кг).

Под плотностью рабочего тела понимают величину, обратную удельному объему, т.е. массу вещества в 1 м³ рабочего тела. Плотность обозначают буквой и измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м³).

Из приведенных выше определений следует, что v = V/ М, м³/кг;
= М/ V, кг/м³, где V— объем рабочего тела, м³; М — масса рабочего тела, кг, и поэтому v·p = 1.

Абсолютная температура является одним из основных параметров, характеризующих тепловое состояние тела, и является мерой степени нагретости тела. Знак разности температур двух неодинаково нагретых тел определяет направление передачи теплоты. Температуру измеряют либо по абсолютной шкале в градусах Кельвина (обозначается через Т, К), либо по Международной стоградусной шкале в градусах Цельсия (обозначается через t, °С). Единица деления шкалы Кельвина равна градусу шкалы Цельсия. Зависимость между величинами Т и t/ определяется соотношением:

Т, К = t, °С + 273,15.

В странах США, Канаде и др. применяется шкала Фаренгейта, в которой за 0° принята температура смеси равных частей льда и нашатыря. В этой шкале температура таяния льда равна + 32 °F, а температура кипения химически чистой воды равна + 212 °F. Соотношение будет

t, °F = 9/5 t, °С + 32.