1. Термодинамические параметры состояния

Известно, что вещества обычно пребывают в одном из трех состояний: в виде газа, жидкости или твердого тела. Четвертое состояние – плазма (ионизированный газ) в этом курсе мы рассматривать не будем. В заданных неизменных условиях конкретное вещество всегда будет находиться в одном и том же состоянии. Чтобы однозначно определить состояние рассматриваемого вещества вводятся так называемые параметры состояния. Параметры, не зависящие от размеров системы (части материи, выделенной для исследования), например температуру, давление, называют интенсивными, зависящие же, например, объем, - экстенсивными. Удельные, то есть отнесенные к единице количества вещества, экстенсивные свойства (удельный объем, удельная теплоемкость и т.п.) приобретают смысл интенсивных свойств. Интенсивные свойства, определяющие состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами состояния. За основные из них приняты наиболее удобные: абсолютное давление р, удельный объем и абсолютная температура Т.

Абсолютным давлением р называется сила Р, действующая по нормали к поверхности тела и отнесенная к единице площади F этой поверхности

. (1.1)

Давление газа на стенки-сосуда есть результат ударов о них молекул и согласно молекулярно-кинетической теории идеального газа, давление p численно равно 2/3 кинетической энергии поступательного движения молекул, заключенных в единице объема:

. (1.2)

Здесь N – полное число молекул в объеме ; m и - масса молекулы и ее средняя квадратичная скорость.

Давление измеряется в паскалях 1Па=1 в СИ, хотя известно много различных единиц.

Таблица 1.1

Соотношения между единицами измерения давления

Единицы	Па	бар	кгс/см	мм. Рт. Ст.	мм. Вод. Ст.
1Па	1		1,02	7,51	0,102

Продолжение табл. 1

1 бар		1	1,02	7,51	1,02
1 кгс/см	9,81	0,981	1	735	104
1 мм. Рт. Ст.	133	1,33	1,36	1	13,6
1 мм. Вод. Ст.	9,81	9,81		7.35	1

Д ля измерения давления в технике используются манометры и вакуумметры.

Рис. 1.1. Манометр и вакуумметр

, (1.3)

. (1.4)

Избыточное давление или разрежение может быть измерено жидкостным прибором:

, (1.5)

, (1.6)

где , и - соответственно ускорение свободного падения, разность уровней жидкости в приборе и плотность жидкости, заполняющей жидкостный манометр.

Удельный объем - есть объем единицы массы

или . (1.7)

Обратная ему величина - называется плотностью , она выражается в единицах СИ. Иногда употребляется понятие удельного веса – это вес вещества в единице его объема - единицы технической системы

Видно, что , а , где - ускорение свободного падения.

Температура характеризует интенсивность теплового движения частиц в системе. Количественное определение температуры связано с использованием любого зависящего от степени нагретости свойства тела. Используется тепловое расширение жидкостей (ртутные, спиртовые термометры) или газов (газовые термометры). Часто применяются термометры сопротивления, в которых используется изменение при нагревании электрического сопротивления металлической нити, а также термопары, в которых измеряется напряжение термотока, развивающегося при нагревании спая двух металлов. Гениальная идея судить об изменениях температуры по другим измеряемым изменениям в телах принадлежит Галилею. По сути дела, измерение температуры термопарами основано на законе термического равновесия, из которого следует, что термометр показывает свою собственную температуру, которая равна температуре тела, с которым термометр находится в термическом равновесии (Дж. Блэк – вторая половина XVIII в).

Каждый прибор, используемый для измерения температуры, должен быть отградуирован (оттарирован) в соответствии с твердо установленной температурной шкалой. История сохранила имена многих ученых, работавших в этом направлении. Во Флорентийской Академии экспериментальных исследований (1657-1667) открыли, что в смеси воды со льдом один и тот же термометр всегда показывает одно и то же. В 1694 г. Карло Ренальдини первый предложил принять в качестве фиксированных температур при градуировке термометра температуру таяния льда и температуру кипения воды. В 1724 г. это окончательно установил немецкий стеклодув Габриэль Даниэль Фаренгейт. Он предложил шкалу с тремя фиксированными точками: 0° соответствует температуре смеси воды, льда и нашатыря, 98° -температура тела здорового человека под мышкой или во рту; в качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значения 32° для точки таяния льда.

В 1730 г. Рене Антуан Фермо де Реомюр предложил применять в термометрах спирт и ввел шкалу в соответствии с тепловым расширением спирта (у Фаренгейта произвольно). А т.к. он обнаружил, что спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, то предложил шкалу от 0 до 80°. В 1742 г. астроном А. Цельсий предложил стоградусную шкалу с точкой «О», соответствующей кипению воды, и точкой «100», соответствующей ее замерзанию. Изменение направления было произведено в 1750 г. другим астрономом Мартином Штремером. К концу века число различных шкал быстро возросло. В «Пирометрии» Ламберта приводится 19 шкал.

В СИ температуру выражают в кельвинах (К). Согласно молекулярно – кинетической теории материи абсолютная термодинамическая температура Т, измеряемая в градусах Кельвина, равна , где m – масса молекулы, =1,3805 Дж/град- константа Больцмана.

Абсолютная или термодинамическая шкала установлена по температуре абсолютного нуля (состояние тела, при котором прекращается поступательное движение молекул идеального газа) и тройной точке воды, которая равна 273,16 К (состояние вещества, при котором совместно могут находится все три фазы). Известна еще шкала Ренкина, которая представляет собой шкалу Фаренгейта, отсчитанную от абсолютного нуля.

Таблица 1.2

Соотношение между различными температурными шкалами

Наименование шкал	Шкала Цельсия	Шкала Ренкина	Шкала Фаренгейта	Шкала Реомюра
Шкала Цельсия,°С	-	Т°Ra-273,15		1,25 t°R
Шкала Ренкина,°Rа	1,8 (t°С+273,15)	-	t°Ф+459,67	1,8(1,25t°R+ +273,15)
Шкала Фаренгейта,°Ф	1,8 t°С+32	t° Rа-459,67	-	t°R+32
Шкала Реомюра,°R	0,8 t°С	0,8( Т°Ra-273,15)	(t°Ф-32)	-

Величина градуса по шкале Кельвина принимается равной градусу по стоградусной шкале и

Т(К)= t°С +273,15 ⁰С. (1.8)