Термодинамическая система. рабочее тело. основные параметры состоя ния рабочего тела

Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими телами. Тер­модинамическая система, которая не обменивается с внешней средой ни энергией, ни веществом, называется изолированной или замкнутой. Объектом изучения в технической термодина­мике служит вещество (пар, газ, продукты сгорания и т.п.), называемое рабочим телом.

Термодинамическая система характеризуется рядом физиче­ских величин, позволяющих определять ее состояние при взаимодействии с окружающей средой. Физические величины, значения которых однозначно определяют состояние термо­динамической системы, называются параметрами состояния. Основные из них — давление, температура и удельный объем. Эти параметры устанавливают состояние рабочего тела в том случае, когда они в любой момент времени по всей массе будут иметь одно и то же значение. Состояние рабочего тела при этом называется равновесным.

Для равновесия термодинамической системы во всех ее точках должны быть одинаковые давление и температура. Всякая изолированная термодинамическая система с течением времени приходит в равновесие, которое остается далее не­изменным, и вывести систему из такого состояния можно только внешним воздействием.

Методы термодинамики применимы только для равновесных систем, так как при отсутствии равновесия зависимость пара­метров состояния от времени и от положения точки внутри системы очень сложна.

Рассмотрим кратко основные параметры состояния.

Давление р обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей по нормали на единицу площади поверхности тела.

В Международной системе единиц (СИ) давление изме­ряется в паскалях (Па); давление есть предел величины отно­шения нормальной составляющей силы к площади, на которую действует сила (рис. 1.1).

Поскольку эта единица давления очень мала, на практике

применяют производные единицы: килопаскаль (1 кПа = 10³ Па), мегапаскаль (1 МПа = 10⁶ Па), а также внесистемную единицу - бар.

Между указанными единицами существует такое соотно­шение:

1 бар = 10⁵ Па = 10² кПа = 0,1 МПа.

В технике применяют и внесистемную единицу измерения давления - техническую атмосферу: это действие 1 килограмм-силы (кгс) на площадь 1 см²:

1 ат = 1 кг/см² = 10⁴ кгс/м².

Так как 1 Н — это сила, сообщающая массе 1 кг ускорение 1 м/ с², а килограмм-сила придает той же массе ускорение 9,81 м/с², то отсюда вытекает соотношение

1 кгс/м² = 9,81 Па.

Очевидно, что 1Па = 0,101927 кгс/м² » 0,102 кгс/м² » 1,02 • 10⁵ aT.

На практике давление может быть измерено в единицах высоты столба жидкости:

1 мм рт.ст. » 133 Па; 1 мм вод. ст. » 9,807 Па.

Давление атмосферного воздуха измеряется барометром и называется барометрическим или атмосферным (Pатм ).

Давление газа выше атмосферного измеряется манометром. Называется оно избыточным или манометрическим (Pизб).

Давление газа ниже атмосферного измеряется вакуумметром и называется разрежением (Pвак) .

Избыточное и вакуумметрическое давления не являются параметрами состояния, так как зависят от атмосферного давления. Параметр состояния - это абсолютное давление Pабс (рис. 1.2).

На основании изложенного выше можно сделать вывод:

При измерении давления показания ртутных приборов из­меняются в зависимости от температуры ртути. Поэтому пока­зания барометра, манометра, вакуумметра, измеренные высотой ртутного столба, необходимо привести к 0 °C по уравнению

р°=p^t(1-0,000172), (1.3)

где р° - показание прибора, приведенное к 0°C; p^t - показа­ние прибора при температуре t, °C; 0,000172 - коэффициент объемного расширения ртути.

Температура Т есть мера интенсивности теплового движе­ния молекул вещества. В лабораторных и промышленных условиях температуру измеряют жидкостными термометрами, пирометрами, термопарами и другими приборами. В системе СИ за единицу температуры принят Кельвин (К); на практике широко применяют градус Цельсия (°C). Соотношение между ними имеет вид

Параметром состояния является абсолютная температура (К).

Удельный объем и - это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой М занимает объем V, то по определению

Удельный объем вещества обратно пропорционален его плотности р.

Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях, вводится понятие "нормальные усло­вия":

физические р = 760 мм рт. ст. = 101,325 кПа; Т =273,15 К;

технические р = 735,6мм рт. ст. = 98 кПа; t = 15 ⁰С.

Пример. Давления 100 мм рт. ст. и 100 мм вод.ст., взятые при температуре 0 °C, выразить в Паскалях.

Решение. При принятой температуре плотность ртути р = 13595 кг/м³. Плотность воды р = 1000 кг/м³. Ускорение свободного падения g = 9,81 м/с². Так как р = hpg, то имеем:

100 мм рт. ст. р = 0,1 • 13 595•9,81 = 13 330 Па;

100 мм вод. ст. р = 0,1 • 1000 • 9,81 = 981 Па.