Лекци@02-Основные_поняти@_и_определени@ [Режим совместимости] (Лекции по ТД Рыжков (PDF))

Лекции по термодинамикедоцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.Э6нергомашиностроение.Лекция №2Основные понятия и определения•Давление.•Температура.•Удельный объем.•Уравнения состояния.•Нормальные условия.•Шкала абсолютного потенциала взаимодействия.•Нулевой закон термодинамики. Условия построения температурной шкалы.•Шкалы относительной температуры.•Шкалы абсолютной температуры.

Термодинамическая температура.Давлениеp =PFВ международной системе единиц давление измеряют в Н/м2 (ньютон на квадратныйметр) и обозначают буквой р. Эта единица очень мала, поэтому удобнее применятьболее крупную единицу давления, равную 105 Н/м2, называемую баром.Измерять давление можно также высотой столба какой-либо жидкости.

Так, 1 барусоответствует высота столба ртути, равная 750 мм при tрт = 0° С.Также применяют:1) техническую атмосферу, которой соответствует сила действия газа в 1 кг на 1см2 поверхности:1 техн. ат. = 1 кГ/см2 = 10000 кГ/м2Технической атмосфере соответствует высота ртутного столба 735,6 мм притемпературе ртути 0° С и водяного 10 000 при температуре воды 4° С;22) физическую атмосферу, которая равна среднему давлению воздуха на поверхностьокеанов.

Это давление соответствует высоте ртутного столба 760 мм при температурертути 0°С;1 физ. атм. = 1,033 кГ/см2 = 10330 кГ/м2Связь между единицами измерения давления в системе СИ и единицами в другихсистемах следующая:1 ат = 1 кГ/см2 =104 кГ/м2 ≈ 98,1 кн/м2 ≈ 0,0981 Мн/м21 физ. атм = 1,0133*105 н/м21 мм вод. ст. = 1 кГ/м2 ≈ 9,81 н/м21 мм рт.

ст. ≈ 133,3 н/м2В термодинамике существует понятие абсолютного и избыточного давления. Допустим,что имеется сосуд (рис. 1), соединенный с U-образной трубкой, в которой находитсяжидкость. Если сосуд закрыть и увеличить в нем давление, то частьжидкости из левого колена U-образной трубки будет вытеснена в правое, вследствиечего образуется разность Уровней. Давление в сосуде, так называемое абсолютноедавление pабс будет уравновешиваться давлением атмосферы рбар, измеряемымбарометром и давлением столба жидкости высотой Н, называемым избыточнымдавлением ризб Таким образомp абс = p изб + p бар(1)3Рис. 1. Схема жидкостногоманометраРис.

2. Схема вакуумметра4При снижении давления в сосуде наружное давлениербар будет уравновешиваться давлением внутрисосуда рабс и разрежением рвак , создаваемым столбомжидкости высотой Н. Таким образом, pбар = p абс + pвак p абс = pбар − pвак(2)Таким образом, абсолютное давление, будь оновыше или ниже атмосферного, можно измерить толькопри помощи двух приборов:барометра и манометра, или барометра ивакуумметра. Параметром состояния являетсяабсолютное давление рабс.Рис.

3. Связь междубарометрическим,манометрическимдавлениеми давлением вакуума5ТемператураЗа единицу измерения температуры принимают градус (1°), который можноопределить следующим образом. Пусть в качестве жидкости в термометре используетсяртуть, объем которой может изменяться в результате изменения одного размера —высоты столба. Выберем два состояния какого-либо вещества, которые легковоспроизвести. Для определения единицы температуры удобно использовать состояниеплавления льда при давлении 760 мм рт. ст. Температуру этого состояния принимаютравной 0°. Второе состояние — конденсация водяных паров при том же давлении.Температуру этого состояния принимают равной 100 ° С.

Поместим термометр вплавящийся лед, а затем в конденсирующийся пар и определим линейное приращениестолба ртути. Положения столба жидкости, соответствующие таким состояниям,называются реперными точками. Разделим приращение столба ртути на 100 равныхделений, тогда каждое деление будет соответствовать одному градусу по шкалеЦельсия (1° С).Наряду со стоградусной шкалой применяется также шкала абсолютных температур,нуль которой лежит на 273,15°( округленно 273°) ниже температуры точки плавленияльда. Температура, измеряемая по этой шкале, называется абсолютной, илитемпературой в градусах Кельвина. В обеих шкалах единица измерения (градус)остается одной и той же.Абсолютную температуру обозначают через Т° К, температуру по стоградуснойшкале — через t° С.

В соответствии со сказанным вышеT = t + 273(3)6Удельный объёмУдельным объемом называют объем единицы массы тела. Определяют его какобъем 1 кг тела, выраженный в кубических метрах. Если обозначить объем т кгвещества через V м3, то его удельный объем определится какυ=Vmм3 / кг(4)Плотность ρ представляет собой массу вещества, заключенную в единице объема,т. е.ρ=mVкг / м3ρ =1(5)Таким образом, плотность вещества является величиной, обратной удельному объему:υρυ = 1(6)7Уравнение состоянияНаиболее удобным выражением зависимости между основными параметрами (р, υ, Т, )является аналитическое уравнение.F ( p ,υ , T ) = 0p = f 1 (υ , T )(7)υ = f2 ( p,T )T = f 3 ( p ,υ )(9)(8)(10)Так как уравнением (7) определяется состояние рабочего тела, то его называютуравнением состояния.Нормальные условияВ термодинамических расчетах, так же как и в расчетах теплотехнических, очень частоиспользуется понятие «нормальные физические условия», характеризуемыедавлением 760 мм рт.

ст. и температурой 0° С.Во многих расчетах бывает удобнее рассматривать такое количество рабочего тела,которое при нормальных условиях занимает объем, равный 1 м3. При этом считают, чторасчеты ведутся по отношению к одному кубическому метру (м3), хотя это не соответствует точному физическому смыслу принятого условия. Иногда за нормальные условияпринимают давление 735,6 мм рт. ст. (при температуре ртути 0° С) и температуру15° С.

Такие условия, используемые очень редко, называют нормальными8техническими условиями.Шкала абсолютного потенциала взаимодействия∆ W i = Pi dxi(11)Выражение для абсолютного потенциала можно получить следующим образом.Количества воздействий при постоянных значениях потенциалов Р1 и Р2 представим наоснове уравнения в видеW1 = P1∆x1;W2 = P2∆x2 ;Положим, что в обоих случаях изменение координаты состояния одинаково, т.е.∆x1 = ∆x1 = ∆x1. При этом справедливо линейное соотношениеW1 P1= ;W2 P2W1 − W2 P1 − P2=W2P2W2P2 =∆P1W1 − W2(12)где W1 и W2 – количества воздействий, которые имеют место при постоянных значенияхпотенциалов Р1 и P2 соответственно при одном и том же изменении координатысостояния; ∆P=P1 - P2 — разность потенциалов.9Нулевой закон термодинамики.

Условия построениятемпературной шкалыВведение понятия температуры и ее измерение основаны на допущении,являющемся следствием опытных фактов, что все тела, находящиеся всоприкосновении, приходят в конце концов к тепловому равновесию и принимаютодинаковую температуру. Хотя это положение кажется весьма очевидным, тем неменее оно не вытекает ни из каких других известных опытных фактов и поэтому нередкоотносится к категории законов.Выдающийся физик М.

Планк заметил по этому поводу: «То, что два тела, находясь втермическом равновесии с третьим, находятся и между собой в термическомравновесии, вовсе не само собой понятно, но очень замечательно и важно».Данное положение часто называют нулевым законом термодинамики.

Законтермического равновесия позволяет однозначно измерять температуру термометром.Термометр показывает свою температуру, но она равна температуре тела, с которымтермометр находится в термическом равновесии.10Шкалы относительной температурыGk − Gп∆GG − GпdG==== constΘκ − Θп∆ΘΘ -ΘпdΘгде GK , GП — значения термометрического свойства G в реперных точках; ΘК и ΘП — значениятемпературы, принятые для реперных точек; ∆G = GK - GП; ∆Θ = ΘК - ΘП; Θ — значениетемпературы в тепловом состоянии, которому соответствует значение термометрическогосвойства G.G − GпΘ =∆Θ + Θ п∆GG − Gпtc =100∆GG − GпtF =180 + 32∆Gt С = ( t F − 32 ) / 1 . 8(13)(14)(15)(16)Рис. 4. Линейная зависимостьтермометрического свойства оттемпературы11Рис.

5. Показание термометров при различном характерезависимости термометрического свойство от температуры12Шкалы абсолютной температуры.Термодинамическая температураR ∂V = const =p ∂T PR ∂p = const =V ∂ T Vt 0 = − (V п ∆ V) 1000CT п = − t 0 = (V п ∆ V )100 KT = ( 273 ,15 + t )QпTп =∆TQк − QпKРис. 6. К определению идеальногазовой шкалы температурыгде QП и QK — количества теплоты, подведеннойк системе на температурных уровнях, соответствующих состояниям плавления льда икипения воды при одном и том же значении изменения энтропии (∆SK = ∆SП); ∆T —разность температур между реперными точками.13Показаниятермометров сразнымитермометрическимисвойствами500С2000СОбъем ртути50,0202,2Давление параэтилового спирта приV=const23,3132,0ЭДС платинородийплатиновойтермопары46,4222,5Электрическаясопротивлениеплатины50,25195,714Контрольные вопросы••••••••Основные понятия и определения в термодинамике.Техническая атмосфераФизическая атмосфераНормальные технические условияНулевой закон термодинамики (закон термического равновесия).Шкала абсолютного потенциала взаимодействия.Шкалы относительной температуры.

Шкалы абсолютной температуры.Термодинамическая температура.Связь между барометрическим, манометрическим давлением и давлениемвакуума15.