1. Основные определения

Термодинамическое исследование начинается с выделения некоторой области пространства. Совокупность тел в этой области образует термодинамическую систему. В предельном случае система состоит из одного тела. Тела, составляющие систему, могут обмениваться энергией между собой и с окружающей средой. Существуют две формы (два способа) передачи энергии - теплота и работа.

Теплота представляет собой форму передачи энергии посредством теплообмена, а работа – форму передачи энергии при механическом взаимодействии между телами. Помимо механической, возможны и другие виды работ – например, работа в магнитном и электростатическом поле. В термодинамике газового потока рассматриваются системы, в которых единственным видом работы является механическая работа. Под теплообменом понимается передача энергии, связанная с непосредственным взаимодействием между микрочастицами среды (теплопроводность, конвекция) или с распространением электромагнитных волн (радиационный теплообмен). Количество энергии, переданной теплотой, обозначают буквой Q (Дж), а в результате работы – L (Дж). Теплота и работа, отнесенные к одному килограмму рабочего тела обозначаются q и l (Дж/кг), соответственно.

Тело, посредством которого происходит взаимопревращение теплоты и механической работы (тепловой и механической форм движения), называется рабочим телом. Наиболее часто рабочими телами являются газы или пары. Например, в газотурбинных двигателях и двигателях внутреннего сгорания рабочими телами являются воздух или продукты сгорания топливовоздушных смесей, а в паросиловых установках – пар различных веществ.

Если система не обменивается энергией с окружающей средой, то она называется энергоизолированной. Система, которая обменивается энергией с окружающей средой только в форме работы, называется теплоизолированной. Система называется гомогенной, если ее химический состав и физические свойства во всех ее частях одинаковы или меняются непрерывно (не скачкообразно). В противном случае система является гетерогенной. Гетерогенная система состоит из нескольких гомогенных областей (фаз), но на границах фаз свойства системы меняются скачкообразно. Гомогенная система может состоять из одного или нескольких химически индивидуальных веществ (компонентов). Примерами многокомпонентных гомогенных систем являются смеси газов (воздух, продукты сгорания топливовоздушных смесей) и растворы.

Система (тело) находится в равновесии, если при изоляции от окружающей среды состояние ее не меняется. Для однокомпонентной термодинамической системы условием такого состояния является равенство давления и температуры во всех ее точках. Из состояния равновесия система может быть выведена только каким-либо внешним воздействием.

1.2 Понятие об уравнении состояния

Каждое состояние системы характеризуется физическими величинами, которые называются параметрами состояния. К основным параметрам состояния относятся температура Т, давление р и удельный объем υ. Удельный объем (объем единицы массы вещества, м³/кг), связан с плотностью ρ (кг/м³) следующим соотношением υ ₌ .

В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется уравнением /2, а его термодинамическая температура – уравнением . Здесь n – число молекул в единице объема; m – масса молекулы; ‒ средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул; k – постоянная Больцмана, равная 1,380662·10^-23 Дж/K.

Установлено, что равновесное состояние термодинамической системы определяется двумя параметрами состояния, т.е. знание двух параметров состояния достаточно для определения всех других величин, характеризующих свойства данной системы. Поэтому любые три параметра состояния (например, р, υ и Т) однозначно связаны между собой уравнением

F (р, υ, Т) = 0 ,

которое называется уравнением состояния. Оно применимо лишь к телам, находящимся в равновесном состоянии, т.е. которые имеют одинаковые значения р и Т во всем рассматриваемом объеме.