3. Термические параметры состояния

Термические параметры состояния. Как уже отмечалось, к числу термических параметров относятся абсолютное давление, удельный объем и абсолютная температура.

Абсолютное давление газа представляет собой средний результат силового воздействия молекул на стенки сосуда и равно отношению нормальной составляющей силы F к площади S, на которую действует сила, т. е. p=F/S.

В СИ давление измеряется в Паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м2 = 10-6 МПа

В технических расчетах пользуются иногда внесистемной единицей — баром, составляющим 1 • 105 Па. Следовательно, 1 бар = 105 Н/м2 =105 Па = 0,1 МПа.

Единицей давления в системе МКГСС, которая ранее была принята в термодинамике, является 1 кгс/м. Давление 1 кгс/м представляет собой относительно малую величину, поэтому в технических измерениях пользуются величиной в 1 • 104 раз большей и равной 1 кгс/см2. Этой величине было присвоено название технической атмосферы (ат).

Между единицами давления существуют такие соотношения:

1 МПа= 10 бар = 10,2 ат = 10,2 кгс/см2 = (10,2)4 кгс/м2;

1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2 = 0,981 • 105 Па = 0,0981 МПа = 0,981 бар.

Часто возникает необходимость измерить давление высотой столба какой-либо жидкости (ртути, воды и др.). При этом справедливо такое соотношение:

p = hρg, или h = p/ρg, где ρ — плотность жидкости, кг/м3.

Давление атмосферного воздуха зависит в каждый определенный данный момент от высоты. В среднем на уровне моря оно равно 760 мм рт. ст. при температуре ртути 0° С. Величина такого давления называется физической атмосферой (атм), или нормальным давлением.

Так как плотность ртути составляет 13 596 кг/м и в 13,596 больше плотность воды, то

1 атм = 760 мм рт. ст. = 10 333 мм вод. ст.= 1,0132 бар = 0,10132 МПа; 1 бар = 750 мм рт. ст. = 1,02 • 104 мм вод. ст.

Применяемые в технике приборы для измерения давления (манометры фиксируют разность между абсолютным давлением рабс в месте измерения v внешним атмосферным (барометрическим) давлением рбар, т. е. так называемо избыточное давление pизб (рис. 3.1).

Если измеряемое абсолютное давление выше барометрического, то Ризб = Рабс — Рбар, или рабс = Ризб + Рбар.

Входящая в последние формулы величина ризб еще называется манометрическим, или рабочим давлением.

Если в сосуде давление меньше атмосферного, то имеет место разрежение (вакуум). Разность между барометрическим и абсолютным давлением называется вакуумом, или разрежением:

Рвак = Рбар — Рабс, или Рабс = Рбар — Рвак

Следует иметь в виду, что во все формулы термодинамики входит абсолютное давление, выраженное в паскалях (ньютонах на квадратный метр). Это объясняется тем, что избыточное давление и разрежение при одном и том же абсолютном давлении могут принимать различные значения в зависимости от величины барометрического давления.

Одним из важнейших параметров, определяющих тепловое состояние тела, является температура. Согласно молекулярно-кинетической теории газов, абсолютная температура Т является мерой интенсивности теплового движения молекул тела и определяется средней кинетической энергией движения молекул газа.

Непосредственно измерять кинетическую энергию движения молекул практически нельзя. Поэтому для измерения температуры используют зависимость от температуры какого-либо из свойств вещества (например, теплового расширения, э.д.с. между двумя соприкасающимися металлами, электрического сопротивления, интенсивности излучения и др.).

Температура измеряется в специальных единицах — градусах. Численное значение измеренной температуры зависит от выбранной шкалы температур. Понятие «шкала температур» включает два элемента: нуль отсчета и величину одного градуса. Так как выбор нуля отсчета и цены деления шкалы является произвольным, то может существовать много различных температурных шкал.

На начальном этапе развития термометрии пользовались так называемыми эмпирическими шкалами температур (Фаренгейта, Цельсия, Реомюра), в которых использовалось свойство жидкости изменять объем с изменением температуры. Однако недостатком таких шкал была зависимость результатов измерения от свойств термометрического вещества.

Более рациональной является эмпирическая шкала идеального газового термометра, в основу которой положена независимость коэффициента теплового расширения идеальных газов от температуры. Однако практическое использование этих термометров также связано с введением поправок на «реальность» применяемых газов (гелия, водорода) и сложностью конструкции.

Наиболее универсальной шкалой температур, не зависящей от каких-либо свойств термического вещества, является абсолютная термодинамическая шкала температур — шкала Кельвина, построенная на основании второго закона термодинамики.

В международной системе единиц температура измеряется по термодинамической шкале Кельвина (Т К), имеющей единственную экспериментальную реперную (опорную) точку — температуру тройной точки воды (состояние равновесия льда, воды и пара), которой приписывается числовое значение 273,15 К (точно). Тройная точка воды легко реализуется с высокой точностью. За нуль отсчета в шкале Кельвина принята наименьшая возможная температура тел 0 К (соответствующая практически недостижимому состоянию теплового покоя молекул).

Кельвин — единица измерения температуры по термодинамической температурной шкале, равная 1/273.16 части интервала от абсолютного нуля температуры до температуры тройной точки воды.

Практическим осуществлением термодинамической шкалы температур является Международная практическая температурная шкала (МПТШ). В этой шкале используются шесть реперных точек, являющихся температурами фазовых равновесий между жидкостью и паром или жидкостью и твердой фазой чистых веществ при нормальном атмосферном давлении: точка кипения кислорода — 182,97 °С; тройная точка воды + 0,01 0С; точка кипения воды + 100,00 °С; точка кипения серы 444,60 °С; точка затвердевания серебра + 960,80 °С; точка затвердевания золота + 1063,00 °С.

За нуль отсчета в МПТШ принимается температура плавления льда; величина одного градуса задается приписыванием температуре кипения воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) значения 100 град. За единицу измерения температуры принят градус Цельсия. Температура по шкале Цельсия обозначается t °C.

Температура по обеим шкалам может быть выражена в Кельвинах (Т К) и в градусах Цельсия (t °С). Соотношение между этими температурами:

T K = t °C +273,15.

Совершенно очевидно, что единица для измерения температурных промежутков для обеих шкал одинакова, т. е. ∆T К = ∆t °С

Удельный объем — это объем, занимаемый единицей массы вещества, т. е.

v = V/m м3/кг. (3.1)

Обратная величина 1/v=m/V=p называется плотностью. Следовательно, v = 1/ρ, v* ρ = 1. В системе МКГСС величиной, обратной удельному объему, является удельный вес или вес единицы объема:

γ = G/V=mg/V= ρg

При этом под весом будем понимать величины, соответствующие местным значениям ускорения силы тяжести g.