1.2. Основные параметры и единицы их измерения

Тепловое состояние физического тела характеризуется его температурой, котораяявляетсяоднимизосновныхпараметровсостояниятела.

Международная система единиц (СИ) предусматривает для измерения температуры применение двух температурных шкал: термодинамической температурной шкалы и Международной практической температурной шкалы. Температуры по каждой из этих шкал могут бытьвыраженывградусахКельвина(ТК) ивградусахЦельсия(t °С) взависимостиотначалаотсчета(положениянуля) пошкале. ПошкалеКельвиназаначалоотсчетапринятабсолютныйнуль, расположенный на 273, 16 К ниже тройной точки воды. При абсолютном нуле прекращаетсяпоступательноеивращательноедвижениеатомовимолекул. ПошкалеЦельсиязаначалоотсчетапринятаточкатаянияльда, которая лежит на 273, 15 К выше абсолютного нуля и на 0,01 ниже тройной точки воды при нормальном атмосферном давлении.

Соотношение между t °C и ТК: t = Т–273,15 °С, или приближен-

но t = T–273 °С.

Для измерения температуры используют следующие приборы: жидкостные и газовые термометры, в которых происходит из-

менение объема жидкости или газа; манометрические термометры, в которых изменяется давление

газа в замкнутой системе; термометры сопротивления, в которых происходит изменение

электрического сопротивления проводника (датчика) в зависимости от температуры;

термоэлектрическиепирометры(термопары), вкоторыхдвапроводникаизразличныхматериаловобразуютзамкнутуюцепьиимеют два спая; в цепи возникает электродвижущая сила, пропорциональная разности температур спаев.

Чтобыопределитьфизическоесостояниевещества,необходимознать еготемпературуидавление, т.е. силу, действующуюнаединицуповерхностиперпендикулярно кней(вхолодильных установкахэтодавление газов, паров или жидкостей на стенки труб, сосудов и т.п.). Основной единицей измерения давления является паскаль (Па), т.е. сила в 1 ньютон (Н), приходящаяся на 1 м2 площади (1 Па = 1 Н/м2). Эта единица давленияоченьмала, поэтомуприменяютукрупненныеединицы-кило- паскальимегапаскаль(кПаиМпасоответственно).

15

Давлениеизмеряютжидкостнымиилипружиннымиманометрами. Манометры, показывающие разрежение или вакуум, называют вакуумметрами.

Давление по манометру называют избыточным или манометрическим Pман, в отличие от абсолютного P, учитывающего давление атмосферного воздуха Pбар. Атмосферное давление приблизительно составляет 0,1 МПа:

P = Pман + Pбар.

Температура, давление и объем любого тела определяют его физическое состояние.

Все вещества отличаются одно от другого плотностью. Плотностью вещества (кг/м3) называют величину, численно равную массе единицы его объема, т.е.

P = m/V,

где m и V — соответственно масса и объем тела. За единицу массы всех веществ и тел принят килограмм (кг). Для характеристики газовиспользуюттакжепонятиеудельногообъема(м3/кг), т.е. объема единицы массы ν = V/m = 1/P.

К сложным параметрам относятся: удельная внутренняя энергия u; удельная энтропия S; и удельная энтальпия i.

Энтропия — это функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой. В термодинамических расчетах используют не абсолютное значение энтропии, а ее изменение в процессе теплообмена, которое определяется отношением количества подведенной (или отведенной) теплоты к средней термодинамической температуре рабочего тела:

S2 – S1 = ∆Q/T,

гдеS1, S2 — соответственноначальнаяиконечнаяэнтропия, Дж/К; Q — теплота, подведеннаякрабочемутелуилиотведеннаяотнего, Дж.

Процессыбезподводаилиотводатеплотыназываютсяадиабатными и протекают при S = const.

Энтальпиейназываетсяполнаяэнергиярабочеготела. Удельная энтальпия равна сумме удельной внутренней энергии U и потенциальной энергии давления pν:

i = U + P ν .

16

В процессах с постоянным давлением при переходе тела из одного состояния в другое количество подведенной или отведенной теплоты равно разности энтальпий:

q1-2 = i2 – i1.

Затраченная или полученная работа в адиабатном процессе определяется также разностью энтальпий:

l1-2 = i2 – i1

Длянагревания одинакового количества различных физических тел одной и той же массы на одно и то же число градусов необходимо подвести различное количество теплоты. Это объясняется различной теплоемкостью тел.

Теплоемкость— этоотношениеколичестватеплоты∆Q, сообщаемого телу, к соответствующему изменению его температуры: С =∆ Q/∆T . Отношениетеплоемкостикмассетелаm называетсяудельнойтеплоемкостью: с= С/т. ВСИудельная теплоемкость выражается вДж/(кг·К). Теплоемкость зависит от химического состава и состояния тела, процесса сообщения ему теплоты, его температуры. С понижением температурытеплоемкость вбольшинстве случаевуменьшается.

Если тело нагревается от T1 до Т2, то средняя удельная теплоемкость будет:

Теплоемкостьгазовсущественнозависитотусловийподводатепла. Различают удельную теплоемкость газаприпостоянном давлении ср и при постоянном объеме сν. Установлено, что ср > с ν. Для жидкостей различием вэтихтеплоемкостях пренебрегают ввидуегомалости.

1.3. Первый и второй законы термодинамики

Первый закон термодинамики является выражением закона сохранения энергии для термодинамической системы. Согласно первому закону термодинамики теплота Q, сообщаемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы ∆U и совершение системой работы L против внешних сил: Q = ∆U + L.

17

Для рабочего тела массой 1 кг первый закон термодинамики выражается уравнением:

Q = U2 –U1 + L,

гдеQ — удельноеколичествотеплоты, подведенноектелувпроцессе изменения его состояния, Дж/кг; U1, U2 — удельная внутренняя энергия тела в начале и в конце процесса, Дж/кг; L — удельная внешняя работа, совершенная телом, Дж/кг.

Обратимые и необратимые процессы. Изменение состояния ра-

бочего тела, при котором параметры состояния (все или некоторые) изменяются, а масса рабочего тела остается постоянной, называетсятермодинамическимпроцессом. Процессыбываютобратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который может быть проведен в обратном направлении через все промежуточныесостоянияпрямогопроцесса, врезультатечеговсясистемаприобретает первоначальное состояние. Необратимый процесс протекает только в одном направлении.

Второй закон термодинамики. Если погрузить тело, имеющее низкуютемпературу, вгорячуюводу, водабудетохлаждаться, атело

— нагреваться, т.е. вода будет отдавать свою теплоту более холодному телу. С точки зрения молекулярной теории, это объясняется так: средняя скорость движения молекул горячей воды выше, чем холодноготела, поэтомумолекулыгорячеготелаотдаютсвоюэнергию менее подвижным молекулам холодного тела и увеличивают скорость их движения. Такая передача энергии будет происходить до тех пор, пока средняя скорость обоих тел и их температуры не сравняются. Таким образом, передача теплоты от теплого тела к более холодному происходит без затраты какой-либо энергии. Обратный процесс, т.е. передача теплоты от холодного тела к теплому, самопроизвольно неосуществляется. Нопризатратеработыон может быть осуществим. Поэтому второй закон термодинамики может быть сформулирован так: чтобы передать теплоту от холодного тела к теплому, необходимо затратить работу.

Теплота — это энергетическая характеристика процесса теплообмена, измеряемая количеством энергии, передаваемым от одного тела к другому тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и лучистым теплообменом.

18

Теплопроводность — это процесс распространения тепла в теле вследствие теплового движения его молекул. Скорость движения молекул при повышении температуры возрастает, увеличивается число соударений с соседними молекулами. В твердых телах теплопроводность — единственный способ распространения тепла.

Конвекция — это процесс передачи тепла в жидкости или газе вследствиетеплопроводностиинепосредственногоперемещенияих частицизоднойчастиобъемавдругую. Конвективныйпереностепла наблюдается в движущихся жидкостях, газах, сыпучих телах.

Лучистый теплообмен — это процесс передачи тепла от одного тела к другому тепловыми лучами (электромагнитными колебаниями) через промежуточную прозрачную для теплового излучения среду. В облучаемом теле лучистая энергия вновь трансформируется в энергию теплового движения молекул (атомов).

Универсальной единицей измерения работы, любого вида энергии, атакжеколичестватеплотывсистемеСИявляетсяджоуль(Дж), представляющий собойработусилыв1 Ннапутив1 мприсовпадении направлений силы и перемещения точки ее приложения.

Единицей измерения мощности является ватт (Вт), представляющийсобоймощность, соответствующуюработев1 Дж, совершенной в 1 с (1 Вт =1 Дж/с). Единицы измерения тепловой (холодильной) мощности и теплового потока, а также коэффициенты теплоотдачи, теплопередачиитеплопроводностивыражаютвваттахили кратных им единицах.

Соотношения между единицами измерения тепловой энергии следующие:

1 кДж = 0,239 ккал = 0,278·10-3 кВт·ч; 1 ккал = 4,187 кДж = 1,163·10-3 кВт·ч; 1 кВт·ч = 3600 кДж = 860 ккал.

Способность различных веществ проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности λ [кВт/(м·К)], т.е. количествомтепла, котороепроходитчерезпроводник (тело) длиной1 мс поперечным сечением 1 м2 за 1 ч при разности температур на его концах в один градус.

Теплоотдача — это процесс теплообмена между твердой стенкой (телом) и обтекающей ее жидкой (газообразной) средой.

Теплопередача — это процесс теплообмена между двумя средами, разделенными некоторой перегородкой.

19