1. Параметры состояния рабочего тела

Величины, однозначно характеризующие состояние рабочего тела (термодинамической системы), называются параметрами состояния. Их значение не зависит от того, каким образом система пришла в это состояние.

В качестве параметров состояния в технической термодинамике используются: абсолютное давление, абсолютная (термодинамическая) температура , удельный объем, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия.

В равновесных состояниях значение любого параметра состояния одинаково во всех точках системы.

1.1. Основные параметры состояния

Особо выделяются параметры состояния, которые могут быть измерены с помощью приборов. Они называются основными параметрами. Ими являются первые три перечисленные выше параметра: абсолютное давление, абсолютная температура, удельный объем.

Абсолютное давление (р) — это средняя по времени сила, с которой частицы рабочего тела действуют на единицу площади стенки сосуда, в который оно заключено. В системе единиц СИ сила измеряется в ньютонах (Н), а площадь поверхности в м , поэтому в этой системе давление измеряют в Н/м. Эта единица называется паскалем (Па):

1Па=Н/м

Широко используются кратные единицы: 1 кПа = 10³ Па, 1 МПа = 10⁶ Па,

а также внесистемные единицы:

1 Ат (техническая атмосфера) ≈ 98000 Па,

1 мм ртутного столба ≈ 133 Па,

1 бар = 10⁵ Па.

Чтобы определить абсолютное давление, надо знать давление окружающей среды В, которое измеряется барометром, и либо показания манометра р_м, если измеряется давление больше давления окружающей среды, либо показания вакуумметра р_в, если измеряемое давление ниже давления окружающей среды.

В первом случае абсолютное давление

р=В+р_м ; (1.3)

во втором

р=В - р_в (1.4)

Обратите внимание! Параметром состояния термодинамической системы является не В, не р_м или р_в, а только абсолютное давление, определяемое по формулам (1.3) и (1.4), т. е. отсчитанное от абсолютного вакуума (рис. 1.1).

А бсолютная температура Т отсчитывается от абсолютного нуля. Измеряется она в Кельвинах (К). Запомните, что именно эта температура является параметром состояния термодинамической системы.

Вместе с тем стандарт допускает измерение температуры по стоградусной шкале (шкала Цельсия). За начало отсчёта здесь принята температура таяния льда, а за 100 градусов - температура кипения воды при давлении 760 мм рт. ст. Измеряется эта температура в градусах Цельсия (°С), обозначается буквой t. Однако эта температура не является параметром состояния рабочего тела.

Зависимость между температурами, измеряемыми по указанным двум шкалам, устанавливается соотношением:

Т= t +273. (1.5)

Обратите внимание на то, что

1^оС =1К, (1.6)

а также на то, что

ΔТ=Т₂ + Т₁ = t₂ + t₁ =Δ t (1.7)

Удельный объём υ является третьим основным параметром состояния термодинамической системы (рабочего тела). Удельным объемом называется объём, занимаемый единицей массы рабочего тела (м³/кг). Если в объёме V, заключена масса рабочего тела m, то

υ = V / m. (1.8)

Величиной, обратной удельному объёму, является плотность ρ:

ρ = 1/ υ. (1.9)

В теплотехнических расчётах часто используют термин “нормальные физические условия “ — это когда абсолютное давление равно 760 мм рт. ст., а абсолютная температура Т= 273 К, или t = 0 ^оС

Основные параметры взаимосвязаны уравнениями состояния, которые в общем, виде могут быть записаны так:

f (р, υ, Т) = 0. (1.10)

Самый простой вид имеет уравнение состояния для идеального газа, которое по имени авторов называют уравнением Клапейрона—Менделеева. В зависимости от количества газа оно выглядит так:

для одного килограмма газа

р·υ=R·T (1.11)

для m кг газа

р·V=m·R·T, (1.12)

где R — удельная газовая постоянная, Дж / (кг·К);

для М киломолей газа

р·V = М·R_μ ·T , (1.13)

где р, Т, V, υ, m — соответственно абсолютное давление (Па), абсолютная температура (К), объём (м³) и удельный объем (м³/кг), масса рабочего тела (кг); М — число киломолей рабочего тела в объеме V; R_μ — универсальная газовая постоянная. Она одинакова для киломоля любого идеального газа и равна 8314 Дж / (кмоль·К).

Киломоль — это количество газа, масса которого (в кг) равна молярной массе.

При одинаковых значениях температуры и давления объёмы киломолей всех идеальных газов одинаковы. При нормальных физических условиях объём киломоля всех идеальных газов равен 22,4 м³

Универсальная и удельная газовые постоянные связаны соотношением

R=8314/μ , (1.14)

где μ — молярная масса рабочего тела.

Обратите внимание! Универсальная газовая постоянная отнесена к одному киломолю и для всех идеальных газов одинакова. Удельная же газовая постоянная отнесена к 1 кг рабочего тела, для каждого газа она имеет свою величину.