Параметры состояния системы и уравнение состояния

Лекция 1. Термодинамическая система и ее состояние

Основные понятия и определения

Термодинамической системой называется совокупность тел в некоторой области пространства, подлежащих термодинамическому исследованию. В предельном случае система состоит из одного тела.

Система отделена от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью.

Материя – это все, что нас окружает.

Энергия – это мера движения материи. Единицей измерения энергии является джоуль (Дж).

Между телами и окружающей средой передача энергии происходит в виде теплоты и работы.

Теплота – это форма передачи энергии путем теплообмена. Количество теплоты в термодинамике обозначается символом Q. Единицей теплоты (как и единицей энергии) является джоуль (Дж).

Удельной теплотой называется теплота, отнесенная к 1 кг массы тела и обозначается символом q. Её размерность Дж/кг.

Работа – это форма передачи энергии путем механического взаимодействия между телами. Количество работы в термодинамике обозначается символом L. Единицей работы также является джоуль (Дж).

Удельной работой называется работа, отнесенная к 1 кг массы тела. Она обозначается символом l, её размерность также Дж/кг.

Теплообмен – это форма передачи энергии, связанная не с работой, а с непосредственным взаимодействием между микрочастицами (теплопроводность или конвекция) или с распространением электромагнитных волн (тепловое излучение).

Рабочим телом называется тело, путем воздействия на которое происходит взаимопревращение теплоты и работы.

В авиационных двигателях рабочим телом является воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива.

Энергоизолированнойтермодинамической системой является система, которая не обменивается энергией с окружающей средой.

Теплоизолированной (адиабатной) термодинамической системой является система, которая обменивается с окружающей средой только работой.

Гомогенной называется система, химический состав и физические свойства во всех её частях одинаковы или меняются непрерывно без скачков. В противном случае система является гетерогенной.

Системы могут быть открытыми и закрытыми. Закрытая система – это система в которой состав вещества не меняется (рис. 1.1а). Стенки и поршень

являются реальной границей системы.

а) б)   Рис. 1.1. Примеры термодинамических систем а) – открытая термодинамическая система б) – закрытая термодинамическая система

Открытая система – это система, в которой состав вещества меняется (рис. 1.1б). Здесь сечения 1-1 и 2-2 – участки воображаемой поверхности, т.е. воображаемые границы термодинамической системы. В газотурбинных двигателях устройством А может быть компрессор, камера сгорания, турбина и т.д.

Равновесным состоянием системы называется такое состояние системы, если после изоляции её от окружающей среды её состояние не меняется. Тогда в каждой её точке термодинамические параметры (температура, давление, плотность и т.д.) не изменяются во времени и не происходит переноса энергии из одной части системы в другую.

Параметры состояния системы и уравнение состояния

Параметрами состояния термодинамической системы называются следующие физические величины:

‒ температура T (К);

‒ давление p (Па);

‒ плотность ρ(кг/м³) , т.е. масса единицы объема вещества;

‒ удельный объем (м³/кг), т.е. объем единицы массы вещества, и другие параметры.

Установлено, что задание двух параметров состояния однозначно характеризует состояние термодинамической системы. Значит, три параметра состояния системы однозначно связаны между собой уравнением состояния, которое в общем виде записывается следующим образом

Оно применимо лишь к телам, находящимся в равновесном состоянии, т.е. имеющим одинаковую температуру и давление во всем объеме.