1.4. Термодинамічний стан і параметри робочих тіл

Робоче тіло залежно від зовнішніх умов має різні властивості і може перебувати у різних станах. Оскільки в класичній термодинаміці розглядають макроскопічні системи, то стани термодинамічної системи описуються за допомогою макроскопічних фізичних величин, значення яких можна виміряти дослідним шляхом без знання передісторії системи (Т, р, V, m). Якщо вони набувають стійкого значення, то говорять, що система перебуває в певному стані. А фізичні величини, які характеризують цей стан, називаються термодинамічними змінними або параметрами стану. Щоб визначити, чи дана фізична величина є параметром стану, необхідно розглянути її зміну при переході системи із одного стану в інший. Якщо зміна величини залежить виключно від початкового і кінцевого станів, то така величина є параметром стану. Якщо зміна фізичної величини залежить від способу переходу від початкового до кінцевого стану (залежить від передісторії системи), то така величина не є параметром стану (робота, теплота).

Не всі параметри стану можуть змінюватися незалежно один від одного. Завжди можна виділити кілька незалежних параметрів, за якими визначають всі параметри стану. Вибір незалежних параметрів є довільним, але кількість їх обмежена. Параметри, які не входять до незалежних і які не вимірюються безпосередньо, називаються функціями стану (ентальпія, ентропія, ексергія та ін.).

Теоретично всі величини, які вимірюються, можуть бути використані як термодинамічні параметри. Але доцільно вибирати такі параметри, які дадуть найпростіші співвідношення і які безпосередньо зв'язані з процесами, що відбуваються у системі.

Як показує дослід, тепловий стан газу певної маси однозначно може бути охарактеризований за допомогою трьох параметрів, які можна виміряти: об'єму V, тиску р і температури Т. Сукупність цих параметрів повністю характеризує тепловий стан системи, тому їх називають основними термічними параметрами.

Параметри стану системи, які визначаються сумою параметрів стану всіх окремих частин системи (об'єм V, маса т та інші), називаються екстенсивними. Отже, екстенсивні параметри пов'язані з розміром термодинамічної системи.

Параметри, значення яких не залежить від розмірів системи і залишаються однаковими в усіх її частинах, називаються інтенсивними параметрами стану (температура, тиск та інші).

Для більшості термодинамічних задач зручніше користуватися питомими величинами, тому що вони поводять себе як інтенсивні параметри і в стані рівноваги залишаються однаковими у кожній точці гомогенної системи.

Будь-який екстенсивний параметр, поділений на масу т, стає відповідним інтенсивним параметром або питомою величиною. В подальшому всі питомі та, як виняток, екстенсивний параметр - масу будемо позначати малою літерою.

Питомий об'єм - це відношення об'єму, який займає речовина, до її маси, м³/кг:

де т - маса речовини, кг

Величина, обернена до питомого об'єму, називається густиною. Густина - це кількість речовини в одиниці об'єму, кг/ м³:

Тиск. Із молекулярно-кінетичних уявлень тиск - це середня сила ударів молекул, що перебувають у безперервному хаотичному русі, яка припадає на одиничну площу стінки посудини і розраховується за рівнянням

де п₀ - концентрація молекул; т - маса молекули; c² - середньоквадратична швидкість поступального руху молекул.

Отже, тиск дорівнює ²/₃ кінетичної енергії поступального руху молекул в одиниці об'єму. Це рівняння називається основним рівнянням молекулярно-кінетичної теорії газів. Воно встановлює якісний і кількісний зв'язок між макроскопічними параметрами газу як сукупності (колективу) молекул і середніми значеннями тих величин, які характеризують рух кожної молекули зокрема. Зважаючи на те, що немає ніякого сенсу говорити про тиск однієї чи малої кількості молекул, можна стверджувати, що тиск має статистичний характер.

Вибір фізичної атмосфери зумовлений тим, що 1 атм дорівнює середньорічному барометричному тиску на рівні поверхні світового океану. Вибір технічної атмосфери пов'язаний із зручностями її застосування.

Атмосферний (барометричний) тиск р₆ вимірюють за допомогою барометрів. Для вимірювання тиску, вищого за атмосферний, тобто надлишкового, використовують манометри. Цей тиск називають манометричним р_м. Розрідження р_в вимірюють за допомогою вакуумметрів.

Термодинамічним параметром є абсолютний тиск р, тобто тиск, який вимірюється від абсолютного нуля.

Температура. Розглянемо дві термодинамічні системи, наприклад А і Б, в кожній з яких параметри мають стійкі значення. Приведемо ці системи в контакт таким чином, щоб вони могли взаємодіяти між собою крізь діатермічну перегородку і повністю були ізольовані від навколишнього середовища.

Діатермічною називають таку перегородку, крізь яку не відбувається переносу маси, механічної та електромагнітної енергії. Початковий стан сумарної системи буде нестійким, системи почнуть взаємодіяти крізь перегородку. Якщо масообміну немає, то така взаємодія пов'язана з передачею теплоти і називається тепловою. З часом система набуде рівноважного стану, який називається термічною рівновагою між системами А і Б. Поняття термічної рівноваги є основоположним при формулюванні загального або нульового начала термодинаміки. За термічної рівноваги параметри стану двох систем залежать один від одного, тобто існує функція. У цій функції кожен із параметрів залежить від трьох інших. Функцію можна визначити дослідним шляхом, наприклад спостерігаючи стан термічної рівноваги залежно від початкових станів систем А і Б.

Наявність термічної рівноваги свідчить про наявність нового параметра стану - температури - і дає можливість експериментально його визначити. Якщо температура Т_А тіла А вища, ніж температура Т_Б тіла Б, то при їх контакті тіло А передає теплову енергію тілу Б. Якщо поміж тілами не відбувається обміну тепловою енергією, то ці тіла знаходяться між собою в термічній рівновазі, тобто тіла мають однакову температуру. Температура - параметр стану, який визначає здатність системи до передачі енергії.

Температура - дуже важливе в технічній термодинаміці поняття, яке встановлюється в результаті аналізу теплової взаємодії між тілами, тобто зміни їхніх станів без макроскопічних переміщень. Температура характеризує ступінь нагрітості тіла. Незважаючи на зрозумілість і наочність, таке якісне визначення температури пов'язане із суб'єктивним відчуттям людиною понять ''гаряче" чи "холодне", але воно не дає кількісної характеристики температури. Із молекулярно-кінетичної теорії температура - це міра середньої кінетичної енергії поступального руху молекул:

де m - маса молекули; c² - середньоквадратична швидкість молекул; к -стала Больцмана (к = 1,38 • 10~²³ Дж/К)

З формули видно, що температура характеризує середню інтенсивність хаотичного руху молекул. Із збільшенням чи зменшенням температури швидкість руху молекул змінюється і при Т = 0 тепловий рух молекул припиняється. Хоча з молекулярно-кінетичних уявлень температура визначається через кінетичну енергію руху молекул, поняття температури не можна застосовувати до однієї або декількох молекул. Не можна говорити про "гарячі" або "холодні" молекули. Поняття температури втрачає сенс, наприклад, стосовно газу в космічному просторі, де концентрація молекул дуже мала. Отже, температура є статистичною величиною і має сенс лише за великої кількості (колективу) молекул.

За одиницю температури можна було б взяти одиниці енергії. Одначе використання одиниць енергії в термометрії становить значні метрологічні труднощі. Крім того, історично склалося так, що для температури було запропоновано використовувати спеціальні одиниці - градуси. Пов'язано це з тим, що вимірювати температуру навчилися раніше, ніж було з'ясовано її фізичний зміст.

Як видно з наведених визначень, немає прямих методів вимірювання температури. Для вимірювання температури використовують різні фізичні властивості тіл (тиск, об'єм, електричний опір, термоелектрорушійну силу та інше), які змінюються зі зміною температури.

Найбільшого поширення в техніці набув метод вимірювання температури за зміною об'єму рідини. За стоградусною шкалою Цельсія при атмосферному тиску температура та­нення льоду приймається за нуль, а температура кипіння води за тих же умов - за 100 градусів. Позначається температура в цій шкалі через t °С. За стоградусною шкалою температури можуть бути додатними або від'ємними. Однак за цим способом вимірювання температури є певна неоднозначність. Різні тіла мають свої закони зміни об'єму від температури. Тому застосування термометрів з різними рідинами дають різні значення температури в проміжних точках між 0 і 100 °С.

Ситуація змінилася після того, як була встановлена лінійна залежність об'єму і тиску ідеального газу від температури (закони Гей-Люссака та Шарля). Виявилось доцільним екстраполювати пряму до перетину з віссю абсцис і вибрати цю точку за нуль градусів. Масштаб цієї температури міг бути довільним, але для переходу від однієї шкали до іншої він був вибраний так, щоб інтервал між температурою танення льоду і температурою кипіння дорівнював 100 °С. За цих умов точка перетину лежить на відстані -273,15 °С. Визначена таким чином температура називається абсолютною і позначається через Т (Т = t + 273,15 ). Одиницею абсолютної температури є кельвін (К).

Розмірність температури, визначена за зміною різних фізичних властивостей тіла, буде різною, тому доцільно температуру ввести в ряд основних одиниць із власною розмірністю. Згідно з Міжнародною системою одиниць абсолютна температура вважається термодинамічною температурою, а шкала, побудована за другим законом термодинаміки, називається термодинамічною температурною шкалою. Величина градуса визначається за умови, що потрійній точці води приписується температура 273,16 К (точно). (Потрійною точкою називається такий стан, в якому всі три фази - лід, вода і пара - перебувають у рівновазі). За стоградусної шкали температура потрійної точки води досить точно дорівнює 0,01 °С. На цих проблемах ми зупинимось пізніше.

Безпосереднє вимірювання температур за термодинамічною шкалою є дуже складним. На практиці часто доводиться порівнювати покази різних термометрів у різних вузьких інтервалах температур. Для цих цілей можна було використати водневі та гелієві термометри, які найбільш точно підкоряються законам ідеального газу в широкому інтервалі температур (приблизно від точки кипіння гелію 4,2 К до температури затвердіння золота 1064,34 °С. Газова температура збігається з термодинамічною. Але використання їх теж викликає певні незручності.

Нормальні умови. Щоб порівняти фізичні характеристики різних робочих тіл, слід звести їх до однакових умов, які називаються нормальними. За фізичні нормальні умови прийнято р = 760 мм рт. ст. = 101325 Па = 1 атм, Г= 273,15 К.