Термодинамическая система

Термодинамической системой будем называть совокупность тел, взаимодействующих между собой. Все, что лежит вне термодинамической системы, называется окружающей средой. Если термодинамическая система не взаимодействует с окружающей средой, то такая система называется изолированной. Примером термодинамической системы можно рассматривать продукты сгорания топлива (газы) в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, а окружающей средой являются стенки цилиндра, поршень, крышка цилиндра и т.д.

Рабочее тело. Рабочим телом будем называть вещество, способное воспринимать тепло и совершать работу. Больше всего для этой цели пригодны газы и пары, т.к. они в наибольшей степени склонны к расширению при нагревании.

Термодинамическое состояние рабочих тел определяется рядом физических величин, называемых параметрами состояния.

1. Абсолютное давление. Давление обуславливается непрерывными ударами молекул о стенки сосуда, в который заключен газ и представляет собой силу, отнесенную к единице поверхности.

В системе СИ за единицу давления принят 1 Па, представляющий нормальную силу в 1 Ньютон, действующую на 1 м² (Н/м²). Ввиду малости этой величины пользуются величиной 1 бар = 10⁵ Па.

Для измерения давления используются и внесистемные единицы: атмосфера, мм. рт. столба или водяного столба. Соотношение между единицами измерения давления приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Единица измерения давления	Наименование единицы измерения давления
Па	бар	кг/см2	мм.рт.ст	мм.вод.ст
1 Па		10–5	1,02·10–5	7,5·10–3	0,102
1 бар	105		1,02	7,5·10–2	1,02·104
1 кг/см2	9,81·104	0,981			104
1 мм.рт.ст		1,33·10–3	1,36·103		13,6
1 мм.вод.ст	9,81	9,81·10-5	10–4	7,35·10–2

 

Для измерения давления используются приборы: манометры, вакуумеры и барометры.

На рис. 1 представлена схема измерения давления с помощью простейшего U-образного манометра, представляющего собой U-образную трубку, заполненную манометрической жидкостью, одним концом соединенную с сосудом, в котором измеряется давление, другой конец сообщается с атмосферой.

 

 

 

Рис. 1

Абсолютное давление в сосуде определяется

а) Р_а = Р_атм + Р_ман Р_а > Р_атм

б) Р_а = Р_атм + Р_вак Р_а < Р_атм

 

2. Удельный объем

Удельным объемом будем называть объем единицы массы:

, м³/кг.

Часто используется в термодинамических расчетах величина плотности. Плотностью будем называть массу единицы объема:

, кг/м³.

Удельный объем и плотность связаны соотношением:

.

3. Абсолютная температура

С позиций молекулярно-кинетической теории строения вещества абсолютная температура является мерой кинетической энергии поступательного движения молекул.

,

где m – масса молекул;

W – средняя скорость поступательного движения молекул;

K – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура.

Если два тела с различными температурами привести в соприкосновение, то кинетическая энергия молекул одного тела с большей температурой, будет передана молекулам другого тела с меньшей температурой.

Температура измеряется с помощью термометров, имеющих различные температурные шкалы.

Абсолютная температура измеряется в Кельвинах (К) а сама температурная шкала в честь английского физика Кельвина названа шкалой Кельвина.

Абсолютная температура должна принимать значение, равное нулю (Т = 0) при условии прекращения теплового движения молекул. Эта предельно минимальная температура, называемая температурой абсолютного нуля, принимается за начало отсчета абсолютной температуры, а температура тройной точки воды равна 273,16 К.

Тройной точкой называется состояние, при котором лед, вода и пар находятся в равновесии.

Таким образом, 1 Кельвин равен 1/273,16 части интервала температур от
0 до 273,16.

В практических расчетах зачастую используют шкалу температур Цельсия. За начало отсчета температуры, по шкале Цельсия (t = 0 °С) принята температура тройной точки вода, а за 100 °С температура кипения воды при нормальном давлении.

Абсолютная температура связана с температурой, измеренной по шкале Цельсия следующим соотношением:

.

Заметим, что Δ t = Δ T.