6.3. Параметры состояния и уравнение состояния газа

6.3.1. Параметры состояния

Любое вещество может быть газообразным, жидким либо твердым.

Состояние вещества зависит от условий, в которых оно находится, от его параметров состояния. Параметры состояния – это величины характеризующие физические свойства тела в данный момент. Наиболее важными термодинамическими параметрами состояния тела (системы) являются: абсолютная температура Т, абсолютное давление Р и удельный объем (или плотность) тела .

Температура характеризует тепловое состояние, степень нагретости тела, она показывает направление возможного самопроизвольного перехода тепла от одного тела к другому (от более нагретого к менее нагретому телу).

Чаще всего в качестве рабочего тела используют газ. Степень нагретости газа зависит от скорости хаотического движения молекул. При подводе теплоты эта скорость увеличивается, тело нагревается, его температура повышается. При охлаждении – наоборот. Температура является мерой кинетической энергии молекул.

, (6.6)

где – масса молекулы;

– средняя квадратичная скорость молекул;

Дж/К – постоянная Больцмана.

Наиболее распространенными шкалами температуры являются шкалы °С (Цельсия) и К (Кельвина).

Цельсий построил шкалу температур по двум реперным точкам: это точки изменения агрегатного состояния воды при атмосферном давлении. Температуру замерзания воды (или таяния льда) он обозначил как ноль градусов. Температуру кипения воды (также при атмосферном давлении) он принял за сто градусов. Соединив две точки прямой и разделив этот отрезок между точками на сто частей он получил температурную шкалу, которую в его честь позже начали называть шкалой Цельсия.

Но если в сторону положительных температур шкала практически беспредельна (потому что существуют солнца, которые в одну секунду выделяют энергии больше, чем наше Солнце за год), то в сторону отрицательных температур есть предел температуры, при которой движение молекул полностью прекращается, и дальнейшее понижение температуры невозможно. Это предельное значение отрицательной температуры равно минус 273.15 °С, и температуру эту назвали абсолютным нулем. Английский ученый В. Томсон (лорд Кельвин) предложил от абсолютного нуля начинать отсчет температуры всех тел. Шкалы Цельсия и Кельвина связывает соотношение:

T = t° + 273.15 (6.7)

где T – абсолютная температура по шкале Кельвина, К;

t – температура по шкале Цельсия, °С.

Давление – это результат силового воздействия молекул рабочего тела (газа или жидкости) на стенки сосуда или на поверхность тела погруженного в этот газ (или жидкость).

Физический смысл давления:

, Н/м² (6.8)

где F – сила, воздействующая на поверхность, Н;

S – площадь поверхности, м².

Эту единицу давления Н/м² назвали паскалем, Па = Н/м².

Но так как эта единица очень мала ее укрупняют, применяя килопаскали, кПа = 10³ Па, и мегапаскали МПА = 10⁶ Па.

Давление создаваемое жидкостью (или газом) зависит от плотности жидкости и высоты столба этой жидкости. Часто давление измеряют высотой столба жидкости.

, Па (6.9)

отсюда , м (6.10)

где  – плотность жидкости (газа), кг/м³;

– ускорение силы тяжести, м/с².

Приборы измеряющие давление (манометры, барометры, вакуумметры) измеряют не абсолютное давление, а разность между абсолютным давлением и атмосферным, так как для земных приборов точкой отсчета, нулем является атмосферное давление. Если давление в системе больше атмосферного, то манометр измеряет избыточное (или манометрическое) давление.

р_изб = р₀ – р_атм (6.11)

Здесь р₀ – абсолютное давление, Па

р_атм – атмосферное давление, р_атм = 101320 Па.

А если давление в системе меньше атмосферного, вакуумметр измеряет величину давления, которого не хватает до атмосферного (величину вакуума)

р_вак = р_атм – р₀ (6.12)

Предельная величина значения р_вак численно равна р_атм. И тогда давление будет равно нулю (как например в космосе).

Удельный объем вещества представляет собой объем, занимаемый единицей массы вещества

, м³/кг (6.13)

здесь V – объем вещества, м³;

m – масса вещества, кг.

Величиной обратной удельному объему является плотность вещества

или кг/м³.