1.3. Необходимые сведения из равновесной термодинамики

При выводе и преобразовании уравнений, описывающих движение и изменение состояния газа, нам потребуются некоторые основные сведения и понятия из равновесной термодинамики.

Термодинамика – наука о превращениях различных видов энергии из одного в другой, о наиболее общих макроскопических свойствах материи. При этом она оперирует не с параметрами, характеризующими состояние микрочастиц вещества, а с параметрами, определяющими состояние вещества в целом.

1.3.1. Параметры состояния термодинамического тела. Уравнения состояния

Состояние равновесного термодинамического тела (элемента сплошной среды) характеризуется совокупностью значений определенных величин – параметров состояния (см. табл. 1.1.).

Параметры состояния

Таблица 1.1

№ п/п	Наименование	Определение параметра	Размерность
1	Абсолютная температура	Характеризует степень нагретости тела. Определяет интенсивность хаотического (теплового) движения молекул. Температура является статическом величиной, характеризующей свойства совокупности большого числа молекул.	T, K = t C + 273 Определяется путем непосредственного измерения.
2	Абсолютное давление	Физическая величина, равная пределу отношения нормальной составляющей силы давления к площади, на которую эта сила действует.	1 ат (техн) = 98100 Па = 735,6 мм.рт.ст = 104 мм. вод. ст. = = 0,98 бар 1 физ. атм. = 760 мм. рт. ст
3	Плотность (удельный объем)	Масса рабочего тела, заключенная в единице его объема. Величина обратная плотности

Между параметрами состояния существует определенная функциональная связь, называемая уравнением состояния. Для газовой среды конкретный вид уравнения состояния определяется физической природой рабочего тела и областью изменения параметров состояния, допускающей считать газ идеальным или реальным.

Идеальным считается газ, для которого можно пренебречь силами межмолекулярного взаимодействия и собственно объемом молекул в сравнении с объемом, занимаемым газом. В этом случае, уравнение состояния записывается в форме Менделеева-Клапейрона (газ идеальный в термодинамическом смысле):

, или p = RT, (1.1)

где Дж/(кгК) – газовая постоянная; R_ = 8314 Дж/(кмольК) – универсальная газовая постоянная;  , кг/кмоль – молекулярная масса газа.

Иногда в литературе пользуются понятием идеальная жидкость. Это такая условная жидкость, которая считается совершенно несжимаемой, нерасширяющейся и обладает абсолютной подвижностью частиц (невязкая и нетеплопроводная жидкость).

Существенные отличия свойств идеального газа от реального проявляются при высоких давлениях и низких температурах, когда фазовое состояние газа близко к жидкому. В этом случае, используется одна из форм уравнения состояния реальной среды. На практике чаще всего используется уравнение состояния в форме Ван-дер-Ваальса, или уравнение с вириальными коэффициентами.

Уравнение состояния в форме Ван-дер-Ваальса:

, (1.2)

где и – поправки, учитывающие реальные свойства среды; – поправка, учитывающая силы межмолекулярного взаимодействия; – поправка, числено равная объему, занимаемому молекулами при их плотной упаковке.

Уравнение состояния с вириальными коэффициентами:

, (1.3)

где B₁, B₂, B₃ ... – вириальные коэффициенты, являющиеся функцией температуры.