1 Основы технической термодинамики

Параметры состояния термодинамической системы. Уравнение состояния рабочего тела.

В качестве рабочего тела в тепловых машинах используют газы и пары, обладающие способностью легко и быстро расширяться или сжиматься.

Физическое состояние рабочего тела определяется время основными параметрами состояния: температурой, давлением и удельным объемом.

Температура характеризует степень нагретости тела и измеряется в градусах. В настоящее время используются три температурные шкалы: абсолютная или термодинамическая шкала – Т, К, практическая международная шкала – t, °С, шкала Ференгейта – t, °F.

Термодинамическая шкала установлена по температуре абсолютного нуля и тройной точки воды, равной 273,16 К, при которой могут существовать одновременно лед, вода и пар. Эту шкалу называют еще и абсолютной, так как температура измерения по ней не зависит от свойства теплоносителя. Цена деления шкалы в градусах Цельсия совпадает с ценой деления шкалы Кельвина (I К = I °С).

Численные значения температуры, определяемые по этим шкалам связаны соотношением:

Т, К = t, °С + 273,15, 1.1

По шкале Фаренгейта, применяемой в Англии и США, температура плавления льда 32 °F и температура кипения воды при нормальных физических условиях (р ₀ =I0I325 Па, Т₀=273,15 К) равна 212⁰ F следовательно

t°C= ∙(t°F­32) , 1.2

Давление – это сила, действующая по нормали на единицу поверхности.

p = , 1.3

где F – сила , нормальная к поверхности и равномерно распределенная по поверхности площадью А.

Единицей давления в системе СИ является Паскаль (1 Па=1Н/м²).

Очень часто в технике для практических измерений используют высоту столба жидкости. В основном применяется в качестве жидкости вода, спирт или ртуть. Полезно вспомнить, что при 0°C или 273,16 К.

I мм вод. ст.= 9,81 Па I мм рт. ст.= 133,3 Па

За параметр состояния в термодинамике принимают абсолютное давление.

Абсолютное давление обычно, подчитывается по показаниям двух приборов.

Если давление больше атмосферного, то оно измеряется манометром и абсолютное давление равно

p_а=p_б+p_и, 1.4

где p_б – атмосферное давление, измеренное барометром;

p_и – показание манометра, измеряющего избыточное давление,

Если p_бp_а , то p_а=p_б-p_в, 1.5

где p_в – показание вакуумметра, измеряющего разряжение.

Удельный объем тела:

, 1.6

где v- удельный объем, м³/кг;

V – полный объем, м³;

m – масса тела, кг.

Величина, обратная удельному объему называется плотностью вещества:

, 1.7

где - масса единицы, кг/м³.

Уравнение состояние тела устанавливают зависимость между параметрами состояния. Для идеального газа уравнение состояния выражается законом Клапейрона:

Для 1 кг газа

R₀∙T, 1.8

Для m кг газа:

∙R₀∙T. 1.9

Для моля идеального газа уравнение предложено Менделеевым и имеет вид

=М∙R₀∙Т=R∙T, 1.10

где V – объем моля газа, м³/кмоль;

R₀ – газовая постоянная, Дж/(кгК);

М – молекулярная масса, кг/кмоль;

R – универсальная газовая постоянная; её значение для всех газов 8314,3 Дж/(кмоль∙К)

При нормальных физических условиях любой килограмм-моль газа занимает объем V=22,4 м³/кмоль. Поэтому для вычисления их удельного объема в м³/кг при этих условиях можно использовать зависимость

, 1.11

Газовая постоянная отдельного газа определяется по выражению

_,1.12

Объем газа V, находящегося при произвольных физических условиях ( и Т) может быть приведен к нормальным физическим условиям () по формуле

, 1.13

Значения удельной газовой постоянной, молекулярной массы и плотности при нормальных условиях для наиболее распространенных газов приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 Значение М, R₀ и ₀ при нормальных условиях некоторых газов.

Наименование газа	Химическое обозначение	Молекулярная масса М, кг/кмоль	Удельная газовая постоянная R0, Дж/(кг∙К)	Плотность при нормальных ф. у. ρ0, кг,м3
Воздух	­­-	28,96	287,0	1,293
Кислород	О2	32,00	259,68	1,429
Азот	N2	28,03	269,8	1,251
Аммиак	NH3	17,03	488,3	0,771
Аргон	Az	39,99	208,2	1,783
Атмосферный воздух	-	28,16	(295,3)	(1,257)
Водород	Н2	2,02	4124,0	0,090
Водяной пар	Н 2О	18,02	(461,0)	(0,804)
Гелий	На	4,00	2078	0,179
Окись углерода	СО	28,01	296,8	1,260
Двуокись углерода	СО2	44,01	188,9	1,907
Сернистый газ	О2	64,06	129,0	2,926
Метан	СН4	16,03	518,8	0,51
Этилен	С 2Н4	28,05	296,6	1,251
Коксиный газ	-	11,50	721,0	0,515

Примечание:

1. Атмосферный азот – углекислый газ, состоящий из азота воздуха вместе с двуокисью углерода и редкими газами, содержащимися в воздухе.

2. Приведение водяного пара к нормальному состоянию является условным.