Основы термодинамики.

Газовые законы.

Идеальные и реальные газы. Превращение теплоты в механическую работу в тепловых установках происходит при участии рабочего тела, которым является газ или пар. Газы, которые встречаются на практике, называют реальными. Молекулы этих газов имеют конечный объем, между ними существуют силы притяжения, существенно влияющие на их параметры. Молекулы обладают кинетической энергией хаотического движения. А так как между молекулами существуют силы сцепления, то они обладают еще и определенной потенциальной энергией взаимодействия, которая зависит от расстояния между ними. Для простоты изучения свойства газообразного рабочего тела введено понятие — идеальный газ.

Идеальным называют воображаемый газ, в котором молекулы рассматриваются как материальные точки (обладающие массой, но не имеющие объема), между которыми отсутствуют силы взаимодействия.

При больших объемах и малых давлениях, когда расстояние между молекулами во много раз больше собственных размеров молекул, а также при высоких температурах, когда молекулы слабо взаимодействуют между собой, складываются условия, при которых реальный газ можно с некоторым приближением считать идеальным. Это позволяет вести расчеты для реальных газов по уравнениям, выведенным для идеальных газов, что упрощает сами расчеты и понимание сущности процессов, протекающих в газах.

Основные параметры рабочего тела. Наиболее важными параметрами, характеризующими газообразное вещество, являются давление, температура и удельный объем. Эти параметры взаимосвязаны, и знание двух из них позволяет определить третий.

Давление. В результате хаотического движения молекулы газа систематически ударяются о стенки заключающего их сосуда. Суммарное действие всех ударяющихся молекул определяет давление газа на стенки сосуда. Давление газа измеряют такими же приборами и в тех же единицах (Па), что и давление жидкости.

Температура. Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул характеризует температуру газа. Чем интенсивней движутся его молекулы, т. е. чем больше кинетическая энергия хаотического движения, тем выше температура. В Международной системе (СИ) в качестве единицы температуры принят кельвин (К). По термодинамической шкале один кельвин равен 1/273,15 части тройной точки воды.

Допускается к применению международная практическая тем­пературная шкала Цельсия с ценой деления 1 °С. Поскольку 1 К на термодинамической шкале равен 1 °С на шкале Цельсия, то температура, выраженная в Кельвинах, связана с температурой, выраженной в градусах Цельсия, следующей зависимостью: Т = 273,15 + t.

Удельный объем. Это отношение объёма, занимаемого газом, к его массе. Измеряется в тех же единицах, что и для жидкости: v = V / m (м³ / кг).

Киломоль. Закон Авогадро. В технической термодинамике часто используют понятие киломоль (кмоль), т. е. количество вещества в килограммах, численно равное его молекулярной массе. Киломоль вещества с молекулярной массой μ равен μ кг, а М кг содержит М / μ кмолей.

Закон Авогадро для идеальных газов: все газы при одинаковом давлении и температуре содержат в равных объемах одинаковое число молекул.

Из этого закона следует, что массы двух равных объемов различных газов с моле­кулярными массами μ₁ и μ₂ равны соответственно М₁ = μ₁ N и M₂ = = μ₂N, где μ₁ и μ₂ — соответственно масса одной молекулы рассматриваемых газов; N — число молекул во взятом объеме.

Объем, зани­маемый 1 кмолем газа при нормальных условиях ( Т = 273 К и р = 101 325 Па) равен 22,4 м³/кмоль.

Молекулярная масса, например, кислорода μ = 32, плотность при нормальных условиях ρ = 1,43 кг/м³ и удельный объем v = 1/ρ = 1/1,43 = 0,7 м³/кг, тогда V_O2 = v μ= 0,7 х 32 = 22,4 м³/кмоль. Для азота аналогично получаем V_N2 = v μ = 0,8 х 28 = 22,4 м³/кмоль.