Основные параметры состояния рабочего тела

Основные понятия технической термодинамики

Фундаментальными понятиями технической термодинамики являются тепло и работа. Оба эти понятия неразрывно связаны с процессами передачи энергии от одних тел к другим.

Совокупность тел, участвующих в таких процессах, рассматриваемая в энергетическом взаимодействии с внешней средой, называется термодинамической системой. Часто в качестве таковой рассматривается просто однородное тело.

Если термодинамическая система не может отдавать энергию, в какой бы то ни было форме во вне и не может получать из вне, то она называется изолированной; если система не может обмениваться теплом с окружающими телами, но способна совершать над ними работу или быть объектом внешней работы, то она называется термически изолированной; наконец, если система не может совершать работу над окружающими телами или быть объектом внешней работы, но способна к взаимному теплообмену с этими телами, то она называется механически изолированной.

Энергия, запасом которой обладает всякое тело, в общем случае состоит из внешней энергии, присущей всему телу в целом, и внутренней энергии, присущей самим молекулам, из которых состоит тело.

Внешняя энергия тела обусловлена его видимым движением и наличием силового поля земного тяготения. Скоростью видимого движения определяется внешняя кинетическая энергия, а геометрической высотой центра тяжести тела над земным уровнем – внешняя потенциальная энергия тела.

Внутренняя энергия тела обусловлена невидимым движением составляющих его молекул и наличием сил взаимодействия между ними. Каждая из молекул сама по себе обладает определенным запасом кинетической энергии, связанной с поступательным (или колебательным) и вращательным движением ее, а также запасом потенциальной энергии, связанной с действием сил молекулярного притяжения. Суммарный запас кинетической и потенциальной энергий всех молекул тела образует его внутреннюю или тепловую энергию, обозначаемую в дальнейшем буквой U.

Следует заметить, что понятия внутренней энергии и тепловой энергии совпадают только при рассмотрении процессов, в которых не протекают ни химические, ни ядерные реакции. В общем случае внутренняя энергия представляет собой широкое понятие, чем тепловая энергия, поскольку в него включаются еще и химическая и атомная энергия тела.

Передача энергии от одного тела к другому может происходить двумя принципиально различными способами.

Первый из них обусловлен силовым воздействием одного тела на другое в процессе видимого движения (например, при перемещении поршня под давлением находящегося в цилиндре газа) и выражается в том, что первое тело совершает над вторым механическую работу, измеряемую произведением силы на путь. При этом величина работы равна убыли запаса энергии у тела, совершающего работу, и увеличению запаса энергии у тела, над которым совершается работа.

Второй способ передачи энергии обусловлен наличием разности температур между телами и выражается в том, что энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому телу непосредственно, без совершения механической работы. В этом случае передаваемая энергия называется теплом, а сам процесс передачи энергии – теплообменом. В результате теплообмена тепловая энергия у более нагретого тела уменьшается, а у менее нагретого – увеличивается. Очевидно, что количество передаваемого тепла равно убыли тепловой энергии более нагретого тела и увеличению тепловой энергии менее нагретого тела.

В общем случае обмен энергией между телами осуществляется сразу обоими способами, т.е. а одном и том же процессе имеют место одновременно и совершение работы и передача теплоты.

Преобразование тепловой энергии тепла в механическую с последующим использованием последней для совершения работы, либо прямая передача ее другому телу макрофизическим путем (т.е. совершение работы непосредственно над этим другим телом) составляют сущность процесса, который для краткости принято называть превращением тепла в работу.

Для осуществления такого процесса в тепловом двигателе рабочее тело, с помощью которого он совершается, должно обладать способностью легко и быстро расширяться или сжиматься. Этому требованию удовлетворяют газы и пары, поскольку вследствие хаотического движения слабо связанных между собой молекул они всегда занимают весь предоставленный им объем. Поэтому они и применяются в теплотехнике в качестве рабочих тел.

Естественно, что одной из важнейших задач технической термодинамики является изучение физических свойств газов и паров. При этом, хотя и те, и другие находятся по сути дела в одинаковом агрегатном состоянии (газообразном), свойство их существенно различаются, поскольку газы очень далеки от начала конденсации, а пары легко превращаются в жидкость. У газов размеры молекул исчезающе малы по сравнению с расстоянием между ними и силы взаимного притяжения ничтожны. Поэтому для простоты, без существенной погрешности, их можно отнести к идеальным газам, у которых силы молекулярного притяжения вообще отсутствуют, а сами молекулы представляют собой материальные точки, объем которых равен нулю.

В противоположность этому такое упрощение применительно к парам дает большую погрешность, поэтому в технической термодинамике они относятся к реальным газам и их свойства изучаются с учетом как сил взаимного притяжения молекул, так и конечности их объема. Вытекающие из этих предпосылок закономерности получаются гораздо более сложными, чем для идеальных газов.

В дальнейшем для простоты рабочее тело часто именуется газом. Если речь идет не о специфических особенностях идеальных газов, то под этим термином подразумеваются газы реальные.

В зависимости от внешних условий один и тот же газ может находиться в различных состояниях. Каждое из таких состояний может быть охарактеризовано конкретными значениями ряда макроскопических (т.е. относящихся ко всему газу в целом) величин, называемых термодинамическими параметрами. Это означает, что каждому состоянию газа соответствует одно и только одно значение каждого из термодинамических параметров.

Чтобы однозначно характеризовать состояние газа, нет необходимости задавать значения всех параметров. Вполне достаточно для этого трех (любых), поэтому в технической термодинамике в качестве основных используются те три параметра, которые имеют конкретный физический смысл и могут быть непосредственно измерены техническими средствами – удельный объем, давление и температура. Совокупность этих трех параметров характеризует тепловое состояние тела, поэтому их называют термическими параметрами.

Удельным объемом газа, обозначаемым буквой , называется объем, занимаемый 1 кг данного газа. Так, если масса всего газа равна М кг, а полный объем V м³, то удельный объем его составляет

, м³/кг. (1.1)

Величина, обратная удельному объему, т.е. масса газа, заключенная в 1м³ его, называется плотностью и обозначается буквой . Очевидно, что

, кг/м³. (1.2.)

Абсолютное давление газа, обозначаемое буквой , является средним результатом ударов молекул о поверхность, ограничивающую объем, занимаемый газом. Оно представляет собой силу, отнесенную к единице площади этой поверхности и действующую со стороны газа в направлении, нормальном по отношению к ней. Поэтому в системе СИ основной единицей давления является 1 Н/м². Кроме того, в технике широко применяются удобные для практики единицы: бар (1 бар = 10⁵ Н/м²), атмосфера

(1ат = 10000 кгс/ м²), миллиметр ртутного столба (1 мм.рт.ст= 13,6 кгс/м²), миллиметр водяного столба (1мм.вод.ст.= 1 кгс/м²).

Давление земной атмосферы завистит от высоты и метеорологических условий в данный момент. В среднем на уровнем моря оно равно

760 мм.рт.ст. = 1,03 ат. Эта величина называется нормальным давлением.

Если абсолютное давление газа в сосуде больше атмосферного, то разность между ними называется избыточным давлением. Если же абсолютное давление газа меньше атмосферного, то разность между ними называется разрежением или вакуумом.

Абсолютная температура газа, обозначаемая буквой Т, является мерой интенсивности хаотического движения его молекул и измеряется в градусах.

При тепловом равновесии двух тел, когда теплообмен между ними отсутствует, температуры их одинаковы. А поскольку при этом равны и средние кинетические энергии поступательного движения молекул этих тел, то очевидно, что между ними существует прямая связь. Эта связь дается выражением

, (1.3)

где m – масса одной молекулы;

w – средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул;

– постоянная Больцмана (= 1,38× 10^-23 Дж/град).

Приведенное выражение показывает, что абсолютная температура всегда положительна, а нулевое значение ее соответствует состоянию полного покоя молекул.

Шкала, в которой температура отсчитывается от этого состояния, называется шкалой Кельвина. Измеренная по этой шкале температура обозначается через Т К. В технике же принята международная стоградусная шкала (шкала Цельсия), в которой отсчет ведется от состояния тающего льда при нормальном давлении (соответствующая абсолютной температуре Т = 273,15 К). Измеренная по этой шкале температура обозначается через t ⁰С. Величина градуса в обеих шкалах одинакова, поэтому пересчет с одной шкалы в другую производится по формуле

. (1.4)

Дата добавления: 2014-01-03