ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

1. Предмет технической термодинамики и ее задачи

Термодинамика изучает закономерности превращения энергии в разнообразных физических и химических про­цессах. Предметом технической т е-р мо д и я а и и-к и является изучение 'процессов 'взаимного превращения теплоты и работы в различных тепловых машинах. По­скольку главным элементом с точки зрения превраще­ний энергии в таких машинах служит так называемое рабочее тело (например, пар в паровой турбине), то представляют интерес и свойства рабочих тел. Термо­динамика яе использует в явном виде известных пред­ставлений о молекулярном строении вещества и лишь привлекает их для дополнительного объяснения проте­кающих процессов или полученных конечных результатов.

Основой термодинамики как науки являются два за­кона, полученных на основании опыта — первый и вто­рой законы термодинамики. Первый закон термо­динамики устанавливает 'количественную меру при переходе одного вида энергии в другой и является част­ным случаем всеобщего закона сохранения и превраще­ния энергии. Второй закон термодинамики имеет более ограниченный характер и приложим к те­лам, имеющим конечные размеры, но состоящим из большого числа частиц — атомов и молекул. Этот закон устанавливает направление тепловых процессов, проте­кающих в природе, -и условия преобразования теплоты в работу.

Применяя основные законы, техническая термодина­мика исследует процессы, протекающие в тепловых дви­гателях, и устанавливает наиболее экономичные условия их работы.

2Основные параметры состояния газа

В тепловых машинах применяется рабочее тело _- газ, который при любам—взаимодеисхвии с внешне _ч окружающей средой изменяет; свое рстояние. Физиче­ские макроскопические ветчины, характеризующие со­стояние рабочего тела, называются термодинамиче­скими параметрами состояния или просто параметрами состояния. Основными параметра­ми состояния являются давление, температура и удельный объем. Эти параметры определяют состояние газа в том случае, когда в любой момент давление и температура, а следовательно, и удельный объем по всей «массе будут иметь одно и то же значе­ние. Такое состояние газа называется равновесным.

Давление. Давление газа есть средний результат удар о в .'больщого количества ч астиц (атомов или моле­кул) о стенки сосуда., в, котором 'находится газ. Давле­ние измеряется силой,приходящейся на едищщу дсщ$рх-ности тела и направленной перпендикулярно этой по­верхности;^ обозначается давление буквой р.

Меж дун ар одной системе единиц (СИ) исходная единица давления _ представляет собой действие силы в один ньютон на площадь в один квадратный метр и называется паскалем (Па)

Эта единица давления очень мала, и поэтому на практике применяются производные внесистемные еди­ницы: рхПа=10³ Памкилопаскаль);]МПа=10⁶ Падмега-паскаль); весвма распространена также "внесистемная единица — бар, равная. 10⁵ Па J Между приведенными единицами существуют следующие соотношения:

1 бар=10⁵ Па=10² кПа=0,1 МПа.

В технике применяется также внесистемная единица измерения давления, называемая технической атмосфе­рой и представляющая собой действие килограмм-силы (кгс) на площади в 1 см². Следовательно,

1 ат=1 кгс/см²=10⁴ кгс/м².

Известно, что 1 Н — это сила, которая массе 1 кг сообщает ускорение 1 м/с², а килограмм-сила сообщает

той же массе ускорение в 9,81 м/с*, 1 кгс/м²=9,81 Па. Очевидно,

1 Па=0,101927 кгс/>м²=0,102 тас/*А

Давление атмосферного воздуха измеряется баро­метром, поэтому оно называется барометрическим, или атмосферным, и обозначается Рбар. Давление газа, большее атмосферного, измеряется манометром. Оно называется избыточным, или манометриче­ским, и обозначается /?изб или р_ман. Если давление газа меньше атмосферного, то оно мазывается разрежением

, или вакуумом, измеряется вакуумметром и обо­значается Рвак. Избыточное и вакуумметрическое давления не являются 'параметрами состояния, так как при одном и том же давлении газа в сосуде показания манометра или вакуумметра будут различны в зависи­мости от атмосферного давления воздуха в момент измерения.

Параметром состоялия является обсолютное давле­ние, обозначаемое Р_абс которое может 'быть найдено из следующих соображений. Рассмотрим прибор, состоя­щий из сосуда А, наполненного газом с абсолютным давлением р_абс, и U-образной трубки, -частично запол­ненной жидкостью (рис. 1-1). С левой стороны на жид­кость действует абсолютное давление газа р_&бс, а с пра­вой— атмосферное давление воздуха рбар. Если р_абс> >рбар, то жидкость будет (перемещаться в трубке слева направо до тех пор, когда образующихся столб жидкости высотой h уравновесит разность давлений р_абс—Рбар.¹

В этом случае прибор показывает насколько давление газа в сосуде, А больше атмосферного, т. е. избыточное давление.. На основании изложенного можно написать:

Рабс=Рбар + Ризб. / (1-1)

Таким образом, абсолютное давление газа в сосуде равно сумме показаний барометра и «манометра.

Если РАбд.<Рбаш...то жидкость в правом колене труб­ки опустится, а в^;левом 'Поднимется и займет положение, указанное на"рис. 1-2. В этом случае прибор показывает, насколько давление газа в сосуде А меньше атмосфер­ного, и высота столба жидкости h определяет вакуум-метрическое давление р_Вак- Следовательно, абсолютное давление газа равно разности показаний барометра и вакуумметра, т. е.

Рабс=Рбар—рвак. (1 -2)

Отсюда видно, что давление измеряется либо в еди­ницах «сила/поверхность», либо в единицах высоты столба жидкости. Соотношение между этими величинами устанавливается уравнением

^P=hpg

где h — высота столба жидкости, м; р—плотность жид­кости, кг/iM³; g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с².

В технической' термодинамике используется также единица — физическая атмосфера, равная среднему дав­лению атмосферного воздуха иа уровне моря; эта вели­чина составляет:

1 атм=*1,0332 кгс/см²=10332 кгс/м²=760 -мм рт. ст.

Физическая атмосфера принимается как некое стан­дартное давление и называется нормальным дав­лением.

В Международной системе единиц нормальное дав­ление равно:

р=10332*9,81=101 325 Па=1,01325 бар.

Соотношения между различными единицами измере­ния давления приводятся в табл. 1-1.

Соотношения между единицами измерения давления

Единицы измерения	Па	бар	кгс/см*	мм рт. ст.	мм вод. ст.
1 Па 1 бар 1 КГ/СМ» 1 мм рт. ст. 1 мм вод. ст.	1 105 9,807*104 133 9,807	10-5 1 0,9807 1,33*10-3 9,807.10-5	1,02.10-5 1,02 1 1,36.103 10-4	7,502*10-3 7,502*102 735 1 7,35*10-2	0,102 1,02*104 104 13,6 1

Показания ртутных приборов давления изменяются в зависимости от температуры ртути вследствие ее рас­ширения с повышением температуры. Поэтому показа­ния барометра (манометра, *вакуумметра), измеренные высотой ртутного столба, 'приводятся к 0°С, для чего используется уравнение

Р⁰_бар = Р^t_бар (1-0,000172 t)

^где Р⁰_бар— показание барометра, приведенное к 0°G;

Р^t_бар—действительная высота ртутного столба барометра

при температуре ртути t_, °С; 0,000172 — коэффициент объемного расширения ртути.

Температура. Температура характеризует тепловое состояние тела, например газа. Из физики известно, что темшература гйза изменяется пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул.

В технике температура измеряется по Международ­ной 'стоградусной шкале (шкала Цельсия) и обозначает­ся через t, °С. В этой шкале при нормальном давлении (760 мм рт. ст.) состоянию тающего льда соответствует температура 0°С, а точке кипения чистой воды—100°С

Для измерения температуры используется также тер­модинамическая шкала температур (шкала абсолютных температур, или шкала Кельвина). Нуль абсолютной шкалы температур соответствует значению t=—273,15°С. Градус абсолютной шкалы температур носит название Кельвина, обозначается через Г, К, и равен градусу по шкале Цельсия. Из сказанного следует связь между зна­чениями одной и той же температуры, выраженными в различных шкалах: T=t+273,15

или округленно

T=t+273

Параметром состояния является абсолютная темпе* ратура.

Удельный объем. V Удельным объемом называется объем 1 кг газа, он обозначается буквой v, т. е.

=

где V — полный объем газа, м⁸; т — масса газа, кг. V Плотностью р называется масса газа, содержащаяся в единице объема, т. е.

Из формул (1-5) и (1-6) следует, что удельный объем и плотность газа — величины взаимно обратные и их произведение равно единице:

p =1