Лекция №1

1.1 Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамика- это наука о закономерностях превращения различных видов энергии. Наиболее часто встречаются в природе такие виды энергии как тепловая и механическая энергии.

Объектом изучения термодинамики являются различные термодинамические системы.

Термодинамическая система представляет собой тело, способное обмениваться с другими телами энергией и веществом.

То, что находится вне термодинамической системы, называется окружающей средой.

Например, термодинамическая система- это газ, находящийся в цилиндре двигателя автомобиля, а окружающая среда- это сам цилиндр, поршень, уличный воздух.

Вещество (например, вода) обычно пребывает в одном из трёх состояний:

- в твердом;

- жидком;

- или газообразном состоянии.

Очевидно, что одно и то же вещество (например, вода) при разных условиях (давление и температура) может находиться в различных состояниях и соответственно свойства вещества будут различными.

Свойства термодинамической системы могут быть:

- интенсивными;

- экстенсивными.

Интенсивными называют свойства, не зависящие от количества вещества в термодинамической системе (например, температура).

Свойства, зависящие от массы вещества, называют экстенсивными (например, объем).

Объем 10кг рабочего тела при одних и тех же условиях будет в 10 раз больше, чем объем 1кг рабочего тела.

Интенсивные свойства, определяющие состояние термодинамической системы, называются термодинамическими параметрами состояния системы.

Наиболее удобными параметрами состояния являются:

- абсолютная температура ( );

- абсолютное давление ( ),( );

- плотность (удельный объем) рабочего тела.

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела.

В качестве параметра состояния системы принимают абсолютную температуру Т. Она всегда положительна.

В системе СИ абсолютная температура выражается в градусах Кельвина (К). На практике применяется измерение температуры в градусах Цельсия ( ).

Соотношение между температурами в градусах Кельвина (Т) и градусах Цельсия (t) имеет вид:

(1.1)

Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть сила ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о единицу площади стенки сосуда, в котором заключено рабочее тело:

В системе СИ давление выражается в Паскалях. .

Различают избыточное и абсолютное давление.

Абсолютное давление определяется:

1) При давлении рабочего тела больше атмосферного:

(1.2)

2) При давлении рабочего тела меньше атмосферного:

(1.3)

где - атмосферное давление;

- давление разрежения (вакуумметрическое давление).

Плотность – это величина, которая определяется как отношение массы рабочего тела ( ) к его объему ( ):

(1.4)

Удельный объем рабочего тела обратно пропорционален его плотности:

(1.5)

При отсутствии внешних воздействий на термодинамическую систему (рабочее тело), например, со стороны гравитационного или электромагнитного поля, состояние системы считается определенным, т.е. известным, если заданы 2 интенсивных параметра состояния системы.

Если, например, рассматривается водяной пар при температуре 250⁰С и атмосферном давлении, то удельный объем такого пара может иметь только одно значение 0,23м³/кг.

Таким образом, удельный объем данного вещества однозначно определяется абсолютным давлением Р и температурой Т.

Таким образом, температура, давление и плотность газа (или, другими словами, рабочего тела) связаны уравнением состояния идеального газа.

1.2 Уравнение состояния идеального газа

Перед тем, как перейти непосредственно к уравнению состояния идеального газа, которое известно еще из школьного курса физики, остановимся на том, что же такое идеальный газ и зачем такое понятие как “идеальный газ” введено в термодинамику.

Введение в термодинамику понятия ”идеальный газ” связано с изобретением термометра, т.е. прибора для измерения температуры. Принцип действия термометра основан на расширении вещества, которым заполнен термометр, при его нагревании.

Вместе с тем, сам коэффициент температурного расширения вещества, которым заполнен термометр, зависит от температуры. Таким образом, для того чтобы выйти из замкнутого круга: ”при нагревании жидкость в термометре расширяется, но, в свою очередь, коэффициент объемного расширения жидкости зависит от температуры”, термометр необходимо заполнить таким веществом, которое имеет коэффициент объемного расширения, не зависящий от температуры. В природе такого вещества не существует, поэтому вводится искусственное вещество под названием ”идеальный газ”.

Отличия идеального газа от реального газа:

При проведении термодинамических расчетов можно пренебречь: