1. Техническая термодинамика

В разделе «Техническая термодинамика» рассматриваются теоретические основы работы тепловых машин: двигателей внутреннего сгорания, компрессоров и холодильных установок. В качестве рабочих тел тепловые машины используют, как правило, вещества в газообразном состоянии. Ими могут быть воздух, продукты сгорания топлив, водяной пар, пары аммиака, фреона и др.

1.1. Внутренняя энергия газа. Идеальный газ

Различают реальные и идеальные газы. Все природные газы –реальные. Согласно молекулярно-кинетической теории газы состоят из мельчайших частиц – молекул, которые находятся в постоянном движении. Это движение называют тепловым, т.к. скорость движения молекул зависит от температуры газа. Чем выше скорость движения молекул, тем выше температура и, наоборот. Кроме кинетической энергии движения (U_кин) молекулы обладают и потенциальной энергией взаимодействия, которая выражается в силах взаимного притяжения и отталкивания молекул. Если кинетическая энергия зависит только от температуры газа, то на потенциальную энергию (U_пот) оказывает влияние еще и расстояние между молекулами, определяемое, в свою очередь, удельным объемом газа и объемом самих молекул. В сумме кинетическая и потенциальная энергии всех молекул газа составляют внутреннюю энергию газа: U = U_кин(Т) + U_пот(T,v) + U₀, где U₀ – «нулевая» энергия, характеризующая энергию тех движений, которые происходят внутри молекул и атомов при температуре абсолютного нуля, когда тепловое движение молекул отсутствует.

Выше сказанное отражает картину, происходящую в реальных газах. Однако для многих реальных газов при практических расчетах можно пренебречь потенциальной составляющей внутренней энергии (U_пот  0). Тогда U = U_кин(Т) + U₀, т. е. внутренняя энергия газа зависит только от его температуры, что существенно упрощает расчеты термодинамических параметров газа. Газы, для которых можно сделать такое допущение, т. е. для которых можно пренебречь силами взаимодействия и объемом молекул называют идеальными газами.

1.3. Параметры состояния идеального газа

Основными параметрами, характеризующими то или иное состояние газа являются: давление p; удельный объем v и температура T. К основным параметрам часто относят и ряд характеристик газа, являющихся по сути функцией трех основных. В первую очередь это энтальпия (H) и энтропия (S). Эти понятия будут рассмотрены ниже. Здесь же познакомимся подробнее с основными параметрами состояния.

А) Давление газа p, Н/м², создается ударами его молекул в поверхность заключающего газ сосуда и зависит от числа молекул, их скорости и массы. Различают давления: атмосферное (барометрическое) – р_атм; выше атмосферного (избыточное) – р_изб; ниже атмосферного (вакуум) – р_вак. Приборы, служащие для измерения р_атм, р_изб, р_вак называются соответственно: барометрами, манометрами и вакуумметрами.

Параметром состояния газа является абсолютное (полное) давление:

               р = р_изб + р_атм,            р = р_атм – р_вак.                     (1.1)

Б) Удельный объем или объем одного килограмма газа, м³/кг, v =   ,  где V – объем газа, м³; М – масса газа, кг.

Удельный объем v – величина обратная плотности, .

v = 1 или v = 1/.

В) Термодинамическая температура измеряется по абсолютной шкале (шкале Кельвина) и обозначается символом T. Нижним пределом этой шкалы является абсолютный нуль. При температуре абсолютного нуля всякое тепловое движение молекул и атомов отсутствует. Поэтому температуру можно считать косвенным показателем скорости движения частиц вещества.

В прил. 1 даны единицы системы СИ, применяемые в курсе, и некоторая информация о единицах измерения, имеющих место в инженерной практике (табл. 1 и 2).