1.3 Параметры состояния Термодинамическим состоянием тела называется совокупность физических свойств, присущих данного телу.

Величины, характеризующие физические свойства тела в данный момент, называются параметрами состояния.

Непосредственному измерению поддаются три параметра состояния:

давление p, удельный объем v и температура T, которые называются основными или термическими параметрами.

К параметрам состояния относятся также внутренняя энергия u, энтальпия i и энтропия s, называемые калорическими параметрами состояния.

Рассмотрим подробно основные параметры состояния.

Давление – это результат силового воздействия молекул рабочего тела на стенки сосуда, в который оно помещено, или на поверхность тел, погруженных в рабочее тело. Давление вычисляется по выражению

(1)

где F – сила, воздействующая на поверхность, Н;

S – площадь поверхности, м^2.

В системе СИ давление измеряется в паскалях 1 Па = 1 Н/м². Эта единица очень мала, поэтому пользуются кПа и МПа (1 кПа = 10³ Па, 1 МПа = 10⁶ Па).

В технике часто пользуются внесистемной единицей – баром. 1 бар = =1

Н/м² = 1

Па = 0,1 МПа (что соответствует 750 мм.рт.ст.).

Кроме этого, часто пользуются кгс/м² и кгс/см². Давление, равное одной атмосфере: 1 ат = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м² = 0,980665

Па = 0,980665 бар (735,6 мм. рт.ст.).

Часто измеряют давление высотой столба жидкости, создающей это давление и

р = h∙

∙g = h

, (2)

h =

, (3)

где h – высота столба жидкости, м;

- плотность, кг/м³;

- удельный вес, Н/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Давление, создаваемое атмосферным воздухом, зависит от высоты. В среднем на уровне моря оно равно 1 атм. Эта величина называется физической атмосферой. Это давление соответствует 760 мм.рт.ст, 101332 Па при измерении манометром или 10,33 м водяного столба.

Барометрическое (или атмосферное) давление создается весом столба воздуха, простирающегося от уровня земли до высоты

300 км. За пределом этого столба воздуха давление считают равным нулю.

Давление тела измеряется манометрами, барометрами и вакууметрами, устройство которых основывается на уравновешивании усилий, передающихся от тела (уравновешивание осуществляется посредством веса столба жидкости, деформаций пружин или нагрузкой на поршень).

Применяемые в технике манометры (и

Рис. 1.

вакуумметры) фиксируют разность между абсолютным давлением р_абс в месте измерения и внешним атмосферным (барометрическим) давлением (рис.1). Если давление в системе больше барометрического, то манометр измеряет разность давлений, которое называется избыточным (или манометрическим) дав-

лением

р_изб = р_абс – р_бар. (4)

Если давление в системе меньше барометрического, то имеет место вакуум, и вакуумметр показывает давление

р_вак = р_бар – р_абс. (5)

Следует иметь в виду, что во все формулы технической термодинамики входит значение абсолютного давления р_абс=р_бар + р_изб либо р_абс=р_бар- р_вак.

Температура определяет направление перехода теплоты, т.е. выступает прежде всего как мера нагретости тела и согласно молекулярно-кинетической теории определяется как величина, соответствующая средней кинетической энергии поступательного движения молекул

, (6)

где Т – температура, К;

m – масса молекул, кг; W – скорость молекул, м/с;

к – постоянная Больцмана.

Т.к. непосредственно измерять кинетическую энергию нельзя, для измерения температуры пользуются зависимостью какого-либо свойства вещества (тепловое расширение, э.д.с. соприкасающихся металлов, электросопротивление, интенсивность излучения и др.) от температуры. Первый термометр был изготовлен Г.Галилеем в 1597 г. Действие всех термометрических устройств основано на том, что два соприкасающихся тела через некоторое время приходят к состоянию теплового равновесия, т.е. принимают одинаковую температуру.

Существуют две основные температурные шкалы:

- термодинамическая температурная шкала характеризуется тем, что нулевая точка этой шкалы представляет собой наинизшую термодинамически возможную температуру – абсолютный 0;

- международная практическая температурная шкала 1948 г. основывается на шести реперных точках с фиксированными значениями температуры (точка кипения кислорода, тройная точка воды, точки кипения воды и серы, точки затвердевания серебра и золота).

Удельный объем – объем, занимаемый единицей массы вещества

м³/кг, (7)

где V– объем вещества, м³;

m – масса вещества, кг.

Обратная величина называется плотностью

=

кг/м³. (8)