1.2. Параметры состояния термодинамической системы.

Получение работы в тепловых машинах требует совершения процессов изменения объема рабочего тела. Поэтому в качестве рабочего тела в тепловых машинах используют газы и пары, обладающие способностью легко и быстро расширяться или сжиматься.

Идеальные газы – это газы, у которых силы молекулярного притяжения отсутствует, а сами молекулы представляют собой материальные точки, оббьем которых равен нулю.

Пары жидкостей – это реальные газы, они отличаются от идеальных размерами молекул и наличием сил взаимодействия между ними.

Газ или пар, посредством которого теплота преобразуется в работу, называется рабочим телом.

Состояние рабочего тела определяется совокупностью численных значений ряда величин, выражающих свойством этих тел и называемых термодинамическими параметрами. Основное у них температура, давление и удельный объем.

Температура(t) является мерой степени нагрева тел. Разность температур двух неодинаково нагретых тел определяет направление передачи теплоты. В настоящее время используются три температурные шкалы: Кельвина - K, Цельсия – ⁰С, Фаренгейта – ⁰F.

Термодинамическая шкала Кельвина установлена по температуре абсолютно нуля и тройной точке воды, которой равна – 273,15 ⁰с. Тройной точкой называют такое состояние вещества, котором одновременно могут находится три фазы (для воды: пар, вода и лед). Цена деления шкалы Цельсия совпадает с ценой деления шкалы Кельвина (1k=1⁰c). Численные значения температуры, определенной по этим двум шкалам связаны соотношением

Давлением (р) рабочего тела называют величину среднерезультирующего усилия от ударов молекул, приходящуюся на единицу поверхности и действующую перпендикулярно к ней. Различают абсолютное и избыточное давление. Под избыточным давлением понимают разность давлений окружающей среды. Если давление рабочего тела превышает давление окружающей среды, то абсолютное давление будет равно сумме избыточного давления и окружающей среды:

где: Ра – абсолютное давление;

Рʋ – избыточное давление;

Рб - барометрическое давление (окружающей среды)

Единицей измерения давления является паскаль (Па).

Один паскаль равен давлению силы 1Н на площадь 1м², т.е. 1 Па = 1H/1м²

1 кПа = 10³ Па, 1 бар = 10⁵ Па, 1 МПа = 10⁶ Па

Физическая атмосфера – это давление, которое проводит на основание ртутный столб высотой 760 мм при 0 ⁰с и нормальном ускорении силы тяжести g = 9,81 м/с².

В технике применяется техническая атмосфера:

1ат = 1 кг/см² = 0.921*10⁵ Па

При 0 ⁰с, или 273К 1 мм рт. ст. = 133,32 Па. 1 мм вод. ст. = 9,81 Па

Удельный оббьем (ʋ) есть объем единицы массы вещества. Он равен частному от деления полного объема на его массу:

ʋ = V/M

Где : ʋ - удельный объем;

V - полный объем;

М – масса вещества;

Масса единицы объема называется плотностью вещества (ρ)

ρ = 1/ʋ = M/V

Из определения понятия основных термодинамических параметров состояния рабочего тела следует, что их значение не зависят от того, каким путем пришло рабочее тело в рассматриваемое состояние.

Это свойство термодинамических параметров является одной из их специфических особенностей.

Вопросы для самоконтроля

1) Что называется термодинамической системой?

2) Что понимается под теплообменом?

3) Какие шкалы температуры существуют?

4) В какой взаимосвязи находятся плотность и удельный объем?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1) Шатров М.Т. Теплотехника (М.Т. Шатров, И.Е.Иванов, С.А. Пришвин. – М.: Академия, 2011. – 288с.

2) Луканин В.Н. Теплотехника /В.Н. Луканин, М.Т. Шатров, Г.М. Камфер, С.Т. Нечаев и др. – М.: Высшая школа, 2000. – 671с.

Дополнительная

1) Анальков А.Ф. Теплотехника /А.Ф. Апальков – Ростов н/д: Феникс, 2008 – 186с.

2) Кирюшатов А.И. А.И. Теплотехника. Курс лекций. /А.И. Кирюшатов. – Саратов, СГАУ, 2001. – 196с.

Лекция 2

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1.Теплоемкость газов.

Теплоемкостью газа называется количество теплоты, необходимое для повышения его температуры на 1К.

Теплота направления, затрачивая на увеличение температуры единицы количества газа на 1К, называется удельной теплоемкостью.

Различают следующие удельные теплоемкости: массовую С на 1кг, объемную С’ на один нормальный кубический метр и мольную μс на 1 моль.

Соотношение между удельными теплоемкостями следующее:

с = μс/ μ; с’ = μс/22,4.

В технической литературе принято удельную теплоемкость называть просто теплоемкостью. Теплоемкость газа зависит от его природы (атомность), температуры и характера процесса.

Теплоемкость газов с повышением температуры увеличивается.

Для одного и того же газа теплоемкость определяется характером процесса и теплообмена. Для каждого процесса существует своя теплоемкость, т.е. для изменения состояния рабочего тела на один градус в каждом термодинамическом процессе требуется различное количество теплоты. Пределы значения теплоемкости – от плюс до минус бесконечности.

Наиболее показательными являются теплоемкости изохорного С_v и изобарного С_р процессов. Молярные изохорные и изобарные теплоемкости, кДж /(кмоль*к), в зависимости от атомности имеют следующее значения:

Газы	μCv	μCр
Одноатомные	12,6	20,9
Двухатомные	20,9	29,3
Трех – и многоатомные	29,3	37,7

Из указанных в таблице данных можно установить важные связи изобарной и изохорной теплоемкостей. Для данного газа отношение теплоемкостей и их разница имеют совершенно определенные значения:

μC_р/μC_v = C_р/C_v = к

μC_р - μC_v = μ R

} закон Майера

C_р - C_v = R

В этих соотношения к – показатель адиабаты; μ R – универсальная газовая постоянная, равна 8314,3 Дж/(кмоль); R – индивидуальная газовая постоянная.

В ходе термодинамического процесса теплоемкости газа зависит от параметров его состояния, т.е. C = f (T, P).

Для идеального газа теплоемкость не зависит от давления. Следовательно, теплоемкость этих газов есть C = f (T).

По отношению к температуре различаются теплоемкость постоянная, т.е. не зависимая от температуры C ≠ f (t), и переменная C = f (t). В приближенных расчетах часто пренебрегают зависимостью теплоемкости от температуры и считают ее постоянной.

Переменная теплоемкость может быть представлена как истинная теплоемкость при данной температуре С = dq / dt и как средняя теплоемкость в данном интервале температур Cm = q/∆t где q – теплота в термодинамическом процессе.

Значение истиной теплоемкости получают при помощи специального анализа. Для этих значений подбирают интерполяционные формулы, указывающие на нелинейнуй зависимость теплоемкости от температуры:

c = a+bt+dt²+….

где a, b, d – постоянные коэффициенты, зависящие от природы газа и характера процесса.