Основные параметры состояния, их измерение

Любое вещество может находиться в одном из трех состояний: в виде газа, жидкости или твердого тела. При заданных условиях рассматриваемое вещество всегда находится лишь в одном неизменном состоянии. Например, в условиях окружающей человека среды воздух находится в газообразном состоянии. Изменяя эти условия, его можно превратить в жидкость или твердое тело.

Для того чтобы однозначно определить состояние рассматриваемого вещества, вводятся характеристики, называемые параметрами состояния. Параметры, которые можно измерить, называются основными: абсолютное давление, абсолютная температура, удельный объем.

Абсолютное давление р представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице этой поверхности. Возникновение этой силы связано с ударными воздействиями множества молекул на граничные стенки. Величина давления зависит от концентрации и подвижности молекул. Абсолютное давление обычно подсчитывается по показаниям двух приборов. В точке 1 (рис. 1.1) абсолютное давление р₁ выше атмосферного давления р_б, измеряемого барометром, на величину избыточного давления р_м, измеряемого манометром. Для этой точки

р₁ = р_б + р_м, (1.1)

т. е. при давлениях р, больших атмосферного, абсолютное давление складывается из избыточного и атмосферного и определяется по показаниям манометра и барометра. В точке 2, лежащей ниже линии атмосферного давления,

р₂ = р_б ­– р_в, (1.2)

где р_в – показание вакуумметра, служащего для измерения разрежения. Таким образом, если абсолютное давление меньше атмосферного, то оно равно разности показаний барометра и вакуумметра.

Единицей измерения давления в Международной системе единиц СИ, введенной в нашей стране с января 1963 г. в качестве предпочтительной, является паскаль (Па). 1 Па – давление, оказываемое силой 1 Н (ньютон) на нормальную поверхность площадью 1 м², т. е. 1 Па = 1 Н/1м².

Т

Рис. 1.1

ак как величина этой единицы очень мала, то для практических измерений применяют кило-паскаль (1 кПа = 10³ Па) и мегапаскаль (1 МПа = = 10⁶ Па). Встречается также единица, близкая по величине к атмосферному давлению, – бар (1 бар = = 10⁵ Па = 10⁵ Н/м²).

В практике находят применение и другие единицы измерения давления: техническая атмосфера (1 ат = 1 кгс/см²), физическая атмосфера (1 атм = = 760 мм рт. ст.), миллиметр ртутного или водяного столба. В табл. 1.1 приводятся соотношения между различными единицами измерения давления.

Температура характеризует тепловое состояние тела, степень его нагрева. Единицей термодинамической температуры является кельвин (К), представляющий собой 1/273,16 часть интервала от абсолютного нуля до температуры тройной точки воды.

Таблица 1.1

Соотношения между единицами измерения давления

Единица измерения	Па	бар	ат	атм	мм рт. ст.
Па	1	10-5	1,01972∙10-5	0,986223∙10-5	750 ∙10-5
бар	105	1	1,01972	0,986223	750,062
ат	980665	0,980665	1	0,96784 1	735,550
атм	101325	1,01325	1 ,03323	1	760,00
мм рт. ст.	133,3	1,333∙10-3	1,359∙10-3	1,316∙10-3	1

Тройная точка воды – это температура, при которой все три фазы воды (твердая, жидкая и газообразная) находятся в равновесии; она равна 273,16 K. Температура таяния льда на 0,01 меньше температуры тройной точки и равна 273,15 K.

За параметр состояния рабочего вещества в термодинамике принимают абсолютную термодинамическую температуру Т, измеряемую в кельвинах. В практических измерениях находит применение шкала Цельсия, цена деления которой равна цене деления абсолютной шкалы, однако за начало отсчета принят не абсолютный нуль, а точка таяния льда. Температура, измеренная в градусах Цельсия, обозначается t и связана с Т формулой:

t = T – 273,15. (1.3)

Удельный объем v вещества представляет собой объем единицы массы вещества. Если V – объем (м³), занимаемый телом массой М кг, то удельный объем, м³/кг,

. (1.4)

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью вещества, кг/м³:

. (1.5)

Объем, занимаемый 1 кг газа, может быть различен в зависимости от условий, при которых он находится. Для удобства сопоставления объемных расходов газа и других практических измерений вводят понятие нормальных условий. Условия, при которых рабочее вещество находится под давлением 101325 Па (760 мм рт. ст.) при температуре 273,15 K (0 ºC), называются нормальными. Единицу измерения объема газа при нормальных условиях обозначают нм³.