Глава 01 -Основные понятия (Головинцов А.Г., Юдаев Б.Н., Федотов Е.И. - Техническая термодинамика и теплопередача 1970)

ЧАСТЬ I ТЕРМОДИНАМИКА

Глава I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

§ 1. Рабочее тело. Параметры состояния газа

Для работы теплового двигателя необходимо иметь рабочее тело, т. е. вещество, способное воспринимать и отдавать теплоту, а также совершать работу. В качестве рабочего тела можно ис­пользовать различные вещества, но практически выгодно приме­нять только паро-газообразные, так как они при нагревании или охлаждении (при сообщении им теплоты или отнятии ее) изме­няют свои объемы намного больше, чем твердые или жидкие. Та­кие вещества способны значительно изменять свои объемы даже без теплового взаимодействия с окружающими телами только вследствие изменения внешних сил, действующих на них.

В дальнейшем все рассуждения будут относиться только к паро-газообразным веществам.

Физическое состояние тела может быть полностью определено, если известны величины, характеризующие его состояние. При изменении условий меняется физическое состояние тела и харак­теризующие его величины, которые называются параметрами состояния.

В термодинамике Наиболее удобными и потому наиболее рас­пространенными параметрами являются давление, абсолютная температура и удельный объем. Эти параметры связаны между собой определенной аналитической зависимостью, которая назы­вается уравнением состояния тела.

Следовательно, если для данного тела известны два основных параметра, то третий может быть вычислен по уравнению со­стояния.

Если в различных точках тела каждый из параметров в данный момент времени имеет одно и то же значение, это означает, что тело находится в равновесном состоянии. Противоположностью такому состоянию является неравновесное, при котором в разных точках тела (или, точнее, в очень малых частях его объема, взя­тых в разных местах), параметры состояния имеют различные значения.

5

Состояние тела можно определить с помощью параметров только в случае равновесного состояния, так как при неравно­весном состоянии тела различным его точкам будут соответство­вать разные значения параметров.

Несмотря на то, что в практике приходится иметь дело как с равновесным, так и неравновесным состоянием рабочего тела, в термодинамике рассматривают главным образом равновесные состояния. Те же случаи, когда отступают от этого правила,

оговаривают особо.

Особенностями паро-газообразных тел является то, что их молекулы движутся хаотично с большими скоростями. При этом силы межмолекулярного взаимодействия оказывают сравнительно слабое влияние на характер их движения. В результате этого тело стремится увеличить свой объем. Такому телу можно при­дать любую форму, лишь ограничив его со всех сторон жесткими

стенками.

Рассмотрим основные параметры состояния.

§ 2. Давление

Молекулы газа, помещенного в сосуд, находятся в беспрерыв­ном хаотическом движении и ударяются о стенки сосуда. Давле­ние можно представить как сумму импульсов от ударов отдель­ных молекул о стенки сосуда. Давлением называют отношение силы давления Р к площади поверхности F, на которую оказы­вается давление:

В международной системе единиц давление измеряют в к Н/м² (ньютон на квадратный метр) и обозначают буквой р. Эта единица очень мала, поэтому удобнее применять более крупную единицу давления, равную 10⁵ Н/м², называемую баром.

Измерять давление можно также высотой столба какой-либо жидкости. Так, 1 бару соответствует высота столба ртути, рав­ная 750 мм при t_pm = 0° С.

В настоящее время (до полного введения системы СИ) в ка­честве практических единиц давления применяют:

Технической атмосфере соответствует высота ртутного столба 735,6 мм при температуре ртути 0° С и водяного 10 000 при температуре воды 4° С;

1) техническую атмосферу, которой соответствует сила дей­ствия газа в 1 кг на 1 см² поверхности:

2) физическую атмосферу, которая равна среднему давлению воздуха на поверхность океанов. Это давление соответствует высоте ртутного столба 760 мм при температуре ртути 0°С;

Связь между единицами измерения давления в системе СИ и единицами в других системах следующая:

В термодинамике существует понятие абсолютного и избыточ­ного давления. Допустим, что имеется сосуд (рис. 1), соединенный

с U-образной трубкой, в которой находится жидкость. При от­крытом сосуде давление внутри него равно атмосферному (баро­метрическому) давлению. Если сосуд закрыть и увеличить в нем давление, то часть жидкости из левого колена U-образной трубки будет вытеснена в правое, вследствие чего образуется разность Уровней. Давление в сосуде, так называемое абсолютное давление Рабс будет уравновешиваться давлением атмосферы р_бар, изме­ряемым барометром и давлением столба жидкости высотой Н, называемым избыточным давлением р_изб Таким образом,

Рабе = Ризб + Рбар (1)

Если снизить давление в сосуде так, чтобы оно «тало меньше атмосферного, то часть жидкости из правого колена (рис. 2) пере­местится в левое.

7

Теперь наружное давление р_бар будет уравновешиваться дав­лением внутри сосуда р_абс и разрежением р_вак , создаваемым стол­бом жидкости высотой Н. Таким образом,

Давление больше атмосферного измеряется при помощи при­боров, называемых манометрами. Наибольшее распространение в технике получили жидкостные и пружинные манометры. В пер­вом случае избыточное давление газа уравновешивается столбом жидкости (рис. 1), во втором — силой, возникающей в резуль­тате деформации упругого тела (пружины, диафрагмы и т. д.). Таким образом, мано­метры позволяют измерить избыточное дав­ление, т. е. разность абсолютного давле­ния в сосуде и давления атмосферного воздуха.

Жидкостные манометры применяют для измерения небольших давлений, примерно около 1 бара. Для измерения больших давлений используют пружинные мано­метры.

Если газ находится под давлением, которое меньше давления окружающей среды, то говорят, что газ находится под разрежением или вакуумом.

Рис. 3. Связь между ба­рометрическим и мано­метрическим давлением и вакуумом

Для измерения вакуума применяют прибор — вакуумметр (рис. 2). Вакуум­метры, как и манометры, могут быть жидкостными и пружинными.

Если условно отметить уровень нуле­вого давления и от него отложить баро­метрическое (атмосферное) и манометрическое давления, то полу­чим схему, показанную на рис. 3. Давление атмосферного воздуха переменно, поэтому его уровень отмечен пунктирной линией.

Таким образом, абсолютное давление, будь оно выше или ниже атмосферного, можно измерить только при помощи двух прибо­ров: в первом случае барометра и манометра, а во втором — баро­метра и вакуумметра. Параметром состояния является абсолют­ное давление р_абс.

Избыточное давление p_uзб и вакуум (разрежение) р_вак не могут являться параметрами, так как они принимают различные зна­чения для одного и того же абсолютного давления в зависимости от величины давления атмосферного воздуха р_бар. Например, если измерить давление в баллоне автомобильного колеса у под­ножия горы при помощи манометра, а затем вторично измерить на вершине горы, то окажется, что во втором случае оно будет

больше, так как на вершине горы давление атмосферного воздуха р_бар будет меньше, в то время как абсолютное давление в обоих случаях останется одним и тем же.

§ 3. Температура

Степень нагретости тела характеризуется температурой. Из физики известно, что температура газа зависит от скорости посту­пательного движения его молекул. Чем больше эта скорость, тем выше температура. Отдельные молекулы газа движутся с неодина­ковыми скоростями, поэтому в данном случае имеется в виду некоторая средняя скорость их движения.

При тепловом взаимодействии двух тел происходит изменение их температур: тело, отдающее теплоту, понижает свою темпе­ратуру; тело, воспринимающее теплоту, повышает ее. Если два тела будут некоторое время находиться в соприкосновении, то тем­пература их станет одинаковой, т. е. наступит тепловое равновесие.

Известно, что при изменении температуры изменяются неко­торые физические свойства тел: объем, электрическое сопротив­ление, интенсивность излучения, электродвижущая сила термо­электрических пар и т. д. В приборах, которые применяют для измерения температур, используют эти свойства тел. Наибольшее распространение получили жидкостные термометры. В этих при­борах используется свойство жидкостей изменять свой объем при изменении температуры.

За единицу измерения температуры принимают градус (1°), который можно определить следующим образом. Пусть в качестве жидкости в термометре используется ртуть, объем которой может изменяться в результате изменения одного размера — высоты столба. Выберем два состояния какого-либо вещества, которые легко воспроизвести. Для определения единицы температуры удобно использовать состояние плавления льда при давлении 760 мм рт. ст. Температуру этого состояния принимают рав­ной 0°. Второе состояние — конденсация водяных паров при том же давлении. Температуру этого состояния принимают рав­ной 100 ° С. Поместим термометр в плавящийся лед, а затем в кон­денсирующийся пар и определим линейное приращение столба ртути. Положения столба жидкости, соответствующие таким состояниям, называются реперными точками. Разделим прира­щение столба ртути на 100 равных делений, тогда каждое деление будет соответствовать одному градусу по шкале Цельсия (1° С).

В СССР принята международная температурная стоградусная шкала, 1° которой приблизительно равен градусу Цельсия, хотя построение ее принципиально отлично от шкалы Цельсия. Между­народная стоградусная шкала является практическим осущест­влением термодинамической стоградусной шкалы и не зависит от свойств термометрического вещества.

9

Зависимость имеет вид:

(7)

Если известны два параметра, то третий можно определить из следующих отношений:

Наряду со стоградусной шкалой применяется также шкала абсолютных температур, нуль которой лежит на 273,15° (округ­ленно 273°) ниже температуры точки плавления льда. Темпера­тура, измеряемая по этой шкале, называется абсолютной, или температурой в градусах Кельвина. В обеих шкалах единица из­мерения (градус) остается одной и той же.

Абсолютную температуру обозначают через Т° К, темпера­туру по стоградусной шкале — через t° С. В соответствии со сказанным выше