ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Каждое равновесное состояние термодинамической системы характеризуется определенными физическими величинами - равновесными параметрами состояния. Внутренние параметры характеризуют внутреннее состояние системы. К ним относятся давление, температура, объем и др. Внешние параметры характеризуют положение системы (координаты) во внешних силовых полях и ее скорость.

В термодинамике существует также деление параметров на термические (давление, температура, объем) и калорические (удельная энергия, удельная теплоемкость, удельные скрытые теплоты фазовых переходов).

Для характеристики конкретных условий, в которых находится данная система, или процесса, идущего в системе, необходимо прежде всего знать такие внутренние параметры состояния, как удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура.

Удельный объем (v, м³/кг) - это объем единицы массы или величина, оп­ределяемая отношением объема к его массе другими словами Удельный объем v есть объем единицы веса, т. е. объем в кубических метрах, занимаемый одним кило­граммом газа.

[2]

где V - объем произвольного количества вещества, м³; m - масса этого веще­ства, кг.

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью (ρ, кг/м³);

Плотность это масса вещества, содержащаяся в единице объема или другими словами, масса единицы объема жидкости называется плотностью

; [3]

Удельный вес- вес единицы объема жидкости называется удельным весом (кгс, кгс/м³, Н/м³)

Масса и вес связаны между собой отношением

или G = mg где g – ускорение свободного падения м/с²

с учетом [3] получим соотношение между удельным весом и плотностью

γ = ρg

Давление - величина, определяемая отношением силы (нормальной со­ставляющей силы), действующей на поверхность, к площади этой поверхно­сти (р, Па = Н/м²)

Р = ; [4]

где F_н - нормальная составляющая силы, [Н]; S - площадь поверхности, нор­мальной к действующей силе [м²]

В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа рассматривается как результат ударов молекул о стенки сосуда и определяется соотношением [5]

где n — число молекул в единице объема; m — масса молекулы; с²— средняя квадратичная скорость поступа­тельного движения молекул.

Согласно Международной системе единиц (СИ) удельное давление заме­ряют в Ньютонах на один квадратный метр (Н/м²). Эта единица измерения давления называется Паскалем (Па). Один мегапаскаль равен 10⁶ Па (1 МПа = 10⁶ Па).

До настоящего времени в технике используется также старая единица измерения удельного давления - техническая атмосфера (ат), представляю­щая собой силу в 1 кгс, действующую на 1 см² площади. 1 ат = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м² = 9,8 ^. 10⁴ Н/м² =9,8 ^.10⁴ Па = 0,981 бар; 1 бар = 1,01972 кгс/см² = 10⁵ Па. 1кПа = 10³ Па.

Различают давления атмосферное, избыточное и разрежение (вакуум). Атмосферным называется давление атмосферного воздуха на уровне моря. За величину атмосферного давления принимается давление столба ртути высотой 760 мм (одна физическая атмосфера - обозначается атм.). Таким обра­зом, 1атм = 760 миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.). 1 мм рт.ст. = 133 Па, 1 атм = 10⁵ Па

Давление больше атмосферного, называется избыточным, а меньше атмосферного - разрежением. Для измерения давления применяют маномет­ры, атмосферного давления - барометры, разрежения - вакуумметры.

Термодинамическим параметром состояния является только абсолютное давление, которое отсчитывается от абсолютного нуля давления или абсо­лютного вакуума.

Для измерения давления в технике применяют приборы, измеряющие не абсолютное (полное) давление (Р_абс), а разность между абсолютным и атмосфер­ным (барометрическим) давлением Р_атм.

Р_изб = Р_абс - Р_баром ; [6] Р_абс = Р_баром+ Р_изб ; [7]

Приборы, применяемые для измерения давлений, больших атмосферного, называются манометрами. Они показы­вают избыток давления измеряемой среды над атмосферным (манометрическое давление). Для измерения давлений меньших атмосфер­ного, применяют вакуумметры, которые показывают, насколько абсолютное давление окружающей среды меньше атмосферного. Эту недостачу давления до атмосферного называют вакуумом.

Р_абс = Р_баром – Р_вак ; Р_вак = Р_баром - Р_абс

При замере давлений жидкостными приборами вследствие расширения жидкости при нагревании ее объем увеличивается и, следовательно, увели­чивается столб жидкости, что приводит к неправильным показаниям прибо­ров. При таких замерах необходимо высоту столба жидкости приводить к 0 °С. Это приведение производится по формуле

h₀ = h(1- αt)

где h₀- показания барометра (манометра), приведенные к 0 °С; h- высота столба жидкости, наблюдаемая при t °С; α - объемный коэффициент расши­рения жидкости (для ртути α - 0,000172).

В технике применяется достаточно большое число единиц измерения дав­ления. Соотношения между ними приведены в таблице [5].

Температура.Температура любого тела — величина, характеризу­ющая степень нагретости тела, и представляет собой меру интенсивно­сти «теплового движения» молекул. Таким образом, температура представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул, т. е. температура характери­зует среднюю интенсивность движения молекул, и чем больше сред­няя скорость движения молекул, тем выше температура тела. Понятие температуры не может быть применено к одной или нескольким моле­кулам. Если два тела с различными средними кинетическими энергия­ми движения молекул привести в соприкосновение, то тело с большей средней кинетической энергией молекул (с большей температурой) будет отдавать энергию телу с меньшей средней кинетической энергией молекул (с меньшей температурой), и этот процесс будет протекать до тех пор пока температуры средних кинетических энергии молекул обоих тел не сравняются, т.е. не выровняются температуры обоих тел. Такое со­стояние двух тел называется тепловым равновесием

Другими словами если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмени­ться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано величиной средней кинетической энергии молекул вещества:

[8]

где k — постоянная Больцмана, равная 1,3800662-10^-23 Дж/К. Температура Т, определенная таким образом, называется абсолютной.

В РФ для измерения температур принята стоградусная шкала и абсолютная термодинамическая шкала Кельвина. В стоградусной шкале при Р_баром.= 760 мм. рт. ст., что в системе СИ равно 101 325 н/м², за 0° принимается температура таяния льда, а за 100° тем­пература кипения воды. Градус этой шкалы обозначается через °С. Тер­мометры стоградусной шкалы имеют неравномерные деления, чем учи­тываются некоторые изменения в зависимости коэффициента расшире­ния жидкости от нагревания.

В отличие от стоградусной шкалы, применявшаяся ранее шкала Цельсия имела те же постоянные точки, соответствующие таянию льда при 0° и кипению воды при 100°, но равномерные деления.

В абсолютной термодинамической шкале Кельвина за нуль принято состояние тела, при котором тепловое движение молекул теоретически отсутствует. Из физики известно, что такое состояние наступает при температуре на 273° С (273,16°) ниже 0° С. Абсолютная температура всегда величина положительна.

Величина градуса по шкале Кельвина принимается равной градусу по стоградусной шкале: 1° К= 1°С; следовательно, ΔT = Δ t.

Соотношение между температурой, измеренной по абсолютной и сто­градусной шкале:

0°К = -273° C; 0°С = + 273°К; Т° К = t° С + 273°; Т = -20⁰С = 253⁰К

Параметром состояния газа является абсолютная температура Т° К.

Абсолютная температура - величина всегда положительная. При темпера­туре абсолютного нуля (Т = 0 ⁰ К = - 273,15° С) прекращается тепловое движение молекул.