Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими телами. Термодинамическая система, которая не обменивается с внешней средой ни энергией, ни веществом, называется изолированной, или замкнутой. Объектом изучения в технической термодинамике служит вещество (пар, газ, продукты сгорания и т. п.), называемое рабочим телом.
Термодинамическая система характеризуется рядом физических величин, позволяющих определять ее состояние при взаимодействии с окружающей средой. Физические величины, значения которых однозначно определяют состояние термодинамической системы, называются параметрами состояния. Основные из них – давление, температура и удельный объем. Эти параметры устанавливают состояние рабочего тела в том случае, когда они в любой момент времени по всей массе будут иметь одно и то же значение. Состояние рабочего тела при этом называется равновесным.
Для равновесия термодинамической системы во всех ее точках должны быть одинаковыми давление и температура. Всякая изолированная термодинамическая система с течением времени приходит в равновесие, которое остается далее неизменным, и вывести систему из такого состояния можно только внешним воздействием.
Методы термодинамики применимы только для равновесных систем, так как при отсутствии равновесия зависимость параметров состояния от времени и от положения точки внутри системы очень сложна.
Рассмотрим кратко основные параметры состояния.
Д а в л е н и е р обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей по нормали на единицу площади поверхности тела.
В Международной системе единиц (СИ, см. приложение 1) давление измеряется в паскалях (Па); давление – действие силы один ньютон на площадь 1 м2:
1 Па = 1 Н/м2
Поскольку эта единица давления очень мала, на практике применяют производные единицы: 1 кПа = 103 Па (килопаскаль), 1 МПа= 106 Па (мегапаскаль), а также внесистемную единицу – бар – 1 бар = 105 Па.
Между упомянутыми единицами существует такое соотношение:
1 бар = 105 Па = 102 кПа = 0,1 МПа
В технике применяют внесистемную единицу измерения давления – техническую атмосферу: это действие килограмм-силы (кгс) на площадь 1 см2:
1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2
Так как 1 Н – это сила, сообщающая массе 1 кг ускорение 1 м/с2, а килограмм-сила придает той же массе ускорение 9,81 м/с2, то отсюда вытекает соотношение
1 кгс/м2 = 9,81 Па
Очевидно, что 1 Па = 0,101927 кгс/м2 » 0,102 кгс/м2 » 1,02 х х 10-5 ат.
В практике давление может быть измерено в единицах высоты столба жидкости:
1 мм рт. ст. » 133 Па;
1 мм вод. ст. » 9,807 Па. (1)
Давление атмосферного воздуха измеряется барометром и называется барометрическим, или атмосферным (Ратм).
Давление газа выше атмосферного измеряется манометром. Называется оно избыточным, или манометрическим (Ризб).
Давление газа ниже атмосферного измеряется вакуумметром и называется разрежением (Рвак).
Избыточное и вакуумметрическое давление не являются параметрами состояния, так как они зависят от атмосферного давления. Параметром состояния является а б с о л ю т н о е д а в л е н и е (р).
На основании изложенного выше можно сделать вывод:
Р = Ратм + Ризб (2)
или
Р = Ратм – Рвак (3)
При измерении давления показания ртутных приборов изменяются в зависимости от температуры ртути. Поэтому показания барометра, манометра, вакуумметра, измерение высотой ртутного столба, необходимо привести к 00С по уравнению
Р0 = Рt(1 – 0,000172t), (4)
где Р0 – показание прибора, приведенное к 00С; Рt– показание прибора при температуре t, 0С; 0,000172 – коэффициент объемного расширения ртути.
Т е м п е р а т у р а Т есть мера интенсивности теплового движения молекул вещества. В лабораторных и промышленных условиях температуру измеряют жидкостными термометрами, пирометрами, термопарами и другими приборами. В системе СИ за единицу температуры принят кельвин (К); на практике широко применяют градус Цельсия (0С).
Соотношение между ними имеет вид:
Т, К = t0С + 273,15 (5)
Параметром состояния является абсолютная температура (К).
У д е л ь н ы й о б ъ е м J – это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой М занимает объем V, то по определению
J = V/M. (6)
Удельный объем вещества обратно пропорционален его плотности r.
Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях, вводится понятие «нормальные условия»:
физические – р = 760 мм рт. ст. = 101,325 кПа;
Т = 273,15 К;
технические – р = 735,6 мм рт. ст. = 98 кПа;
t = 150C/
Контрольные вопросы и задания. 1. Что такое рабочее тело? 2. Какими основными параметрами состояния характеризуется рабочее тело? 3. Как определяется абсолютное давление газа по заданному избыточному давлению и по заданному разрежению? 4. Напишите соотношения между единицами измерения давления.