Баскаков А.П. (ред.) Теплотехника Энергоатомиздат, 1991 (947482), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Статистический метод основан на использовании теории вероятностей н определенных моделей строения этих систем и представляет собой содержание статистической физики. Термодинамический метод не требует привлечения модельных представлений о структуре вещества и являетсн феноменологическим (т. е. рассматривает «феномены» — явления в целом). При этом все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики. В дальнейшем исходя из термодинамического метода мы будем для нагляднасти использовать молекулярно-кинетические представления о структуре вещества.
Ьз. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Т е р и од н н а м и ч е с к а я с и с т е и а представляет собой совокупность мотериальнык тел, находящихсн в механическом и тепловом вэаимодействияк друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»). Выбор системы произволен и диктуетси условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют о к р уж а ю щ е й с р ед о й Систему отделяют от окружающей среды ко н т р ол ьн о й и о в е р х н о с т ь ю (оболочкой).
Так, например, для простейшей системы — газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями служат стенки цилиндра и поршень. Механическое и тепловое взаимодействия термодинамической системы осуществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также электрические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет совершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодинамики, но нами в дальнейшем рассматриваться не будут).
В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением обьема. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра. В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом (массообмеиное взаимодействие) . Такая система называется от к р ы т о й. Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах -- примеры открытых систем. Если вещества не проходит через границы системы, то она называется з а к р ыт о й. В дальнейшем, если зто специально не оговаривается, мы будем рассматривать закрытые системы.
Термодинамическук~ систему, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют т с и. лоизолированной или адиаб а т н о й Примером адиабатной системы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной теп. ловой изоляцией, исключающей теплооб. мен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляционную оболочку называют адиабатиой.
Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни веществом, называется и з о л и р о в а ни о й (или замкнутой) . Простейшей термодинамической системой явлиется р а б о ч е е т е л о, осуцгествляюшее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая иэ воздуха и паров бензина.
!.3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами. Рассмотрим некоторые из ннх, используя при этом известные из курса физики молекулярно-кинетические представления об идеальном газе как о совокупности молекул, которые имеют исчезающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом лишь при соударениях. Д а в л е н и е обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, дей. ствующей на единицу плошади поверхности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением 2 шсэ р= — л — -, 3 2 где и — число молекул в единице обьема; гп — масса молекулы; с — средняя квадратическая скорость поступательно|о движения молекул.
В Международной системс единиц (СИ) давление выражается в паскалях (1 Па=) Н/м'). Поскольку эта единица мала, удобнее использовать 1 кПа= =1ООО Па н 1 МПа =!О' Па. Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров. 7 гпс» 3 о о (1.2) где й — постоянная Больцмана, равная 1,380662 10»' Дж/К. Температура Т, определенная таким образом, называется абсолютной. В системе СИ единицей температуры является кельвин (К), на практике широко применяется градус Цельсия ('С) . Соотношение между абсолютной Т и стоградусной ( температурами имеет вид Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, представляющее собой разность между пол. ным или абсолютным давлением р измеряемой среды и атмосферным давлением р„„, т е.
р„„=р — р„,„. Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуум- метрами; их показания дают значение разрежении (нли вакуума): р,=р,,„ — р, т. е. избыток атмосферного давления над абсолютным. Следует отметитгч что параметром состояния явлнется абсолютное давление.
Именно оно входит в термодинамические уравнения. Температурой назыеаетслфизическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства нх температур они будут обмениваться теплотой друг с другам, если же их температуры равны, то теплообмена не будет. С точки зрении молекулярно-кинети ческих представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с величиной средней кинетической энергии молекул вещества: однородное тело массой М занимает объем (т, то по определению и= )г/М. В системе СИ единица удельного объема 1 м"/кг. Между удельным объемом вещества и его плотностью существует очевидное соотношение: и = 1/р.
Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях, вводится понятие «нормальные физические условия»: р= 760 мм рт. ст,= =101,325 кПа; Т=273,15 К. В разных отраслях техники и разных странах вводнт свои, несколько отличные от приведенных «нормальные условия», например, «технические» (р= =735,6 мм рт ст/=98 кПа, 1=15'С) или нормальные условия для оценки производительности компрессоров (р= =101,325 кПа, 1=20'С) н т.д. В данной книге, если зто не оговорено особо, будут использоваться нормальные физические условия. Если все термодинамические пара. метры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется р а в н ов е с н ы м.
Если между различными точками в системе существуют разности температур, давлений и других параметров, то она является н е р а в н о в е с н о й. В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что изолировинная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы. 1М. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ Т = (+ 273, 15.
В промышленных и лабораторных ус. ловиях температуру измеряют с помощью жидкостных термометров, ниро- метров, термопар и других приборов. Удельный объем о — -зто объем единицы массы вещества. Если Для равновесной термодинамической системы существует функциональнан связь между параметрами состояния, которая называется у р а в не н нем сос т о я н н я, Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление простейших систем, которыми являются газы, пары нли жидкости, связаны т е р- мическим уравнением состоя н и я вида 1(р, о, Т)=0.
Уравнению состояния можно придать другую форму; Р=П (и, Т); о=)х(р, Т); Т=!з (!э, и), Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определякзщих состояние системы, независимыми являются два любых. Для решения задач методами термодинамики совершенно необходимо знать уравнение состояния. Однако оно не 51ожет быть получено в рамках термодинамики и должно быть найдено либо экспериментально, либо методами статистической физики. Конкретный вид уравнения состонния зависит от индивидуальных свойств вещества.
Уравнение состояния идеальных газов. Из уравнений (!.1) и (1.2) следует, что р=адт. Рассмотрим 1 кг газа Учитывая, что в нем содержится Ь! мсшекул и, следовательно, и = )т /и, получи м: рп/ Т = Ь/Ь = =сопз!. Постоянную величину Д!Д, отнесенную к 1 кг газа, обозначают буквой Я и называют газовой постоянн о й. Поэтому ри/Т=к, или рп=йт. (1.3) Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона (!834 г.). Умножив ( !.3) на М, получим уравнение состояния для произвольной массы газа М: (!.4) РУ=МРТ. Уравнению Клапейрона можно придать универсальную форму, если отнести газовую постоянную к 1 кмолю газа, т. е.
к количеству газа, масса которого в килограммах численно равна молекулярной массе и Положив в (1.4) М=п и У= У„, получим для одного моля уравнение Клапейрона — Менделеева: РУ„=прт. Здесь ӄ— объем киломоля газа, а р)7— универсальная газовая постоянная. В соответствии с законом Авогадро (1811 г.) объем 1 кмоля, одинаковый в одних и тех же условиях для всех идеальных газов, при нормальных физиче- ских условиях равен 22,4136 м", поэтому рт(=РУ /т= = 101,325 22,4136/273, 15 = =83!4 Дж/(кмоль ° К). Газовая постоянная 1 кг газа составляет Я= 8314/и.
(1. 6) Уравнение состояния реальных газов. В реальных газах в отличие от идеальных существенны силы межмолекулярных взаимодействий (силы притяжения, когда молекулы находятся на значительном расстоянии, и силы отталкинания при достаточном сближении их друг с другом) и нельзя пренебречь собственным объемом молекул. Наличие межмолекулярных сил отталкивания приводит к тому, что молекулы могут сближаться между собой только до некоторого минимального расстояния.
Поэтому можно считать, что свободный для движения молекул объем будет равен и — Ь, где Ь вЂ” тот наименьший объем, до которого можно сжать газ. В соответствии с этим длина свободного пробега молекул уменьшается и число ударов о стенку в единицу времени, а следовательно, и давление увеличивается по сравнению с идеальным ~азам в отношении и/(о — Ь), т.
е. йт и йт Р= и (и — Ь) и — Ь' Силы притяжения действуют в том же направлении, что и внешнее павление, и приводят к возникновению молекулярного (или внутреннего) давления. Сила молекулярного притяжения каких- либо двух малых частей газа пропорциональна произведению числа молекул в каждой из этих частей, т. е. квадрату плотности, поэтому молекулярное давление обратно пропорционально квадрату удельного объема газа: р„„= а/п', где а — коэффициент пропорциональности, зависящий от природы газа. Отсюда получаем уравнение Ван.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
