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 Фаренгейта – t, °F.
Термодинамическая шкала установлена по температуре абсолютного нуля и тройной точки воды, равной 273,15 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 (1 К = 1 °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 =101325 Па, Т0=273,15 К) равна 2120 F следовательно
t°C
=
∙(t°F-32) , 1.2
Давление – это сила, действующая по нормам 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.
1 мм вод. ст.= 9,81 Па 1 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
pа=pб+pм, 1.4
где pб – атмосферное давление, измеренное барометром;
pм – показание манометра, измеряющего избыточное давление,
Если pб<pа , то pа=pб-pв, 1.5
где pв – 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 Vμ – объем моля газа, м3/кмоль;
R0 – газовая постоянная, Дж/(кгК);
М – молекулярная масса, кг/кмоль;
R – универсальная газовая постоянная; её значение для всех газов 8314,3Дж/(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 (ρ и Т) может быть
приведен к нормальным физическим
условиям (
и
)
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) |
Продолжение таблицы 1.1 |
||||
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 |
SО2 |
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:
Атмосферный азот – углекислый газ, состоящий из азота воздуха вместе с двуокисью углерода и редкими газами, содержащимися в воздухе.
Приведение водяного пара к нормальному состоянию является условным.