1.4.2. Уравнение состояния реального газа

Хотя уравнения (1.10…1.13) строго приложимы лишь к идеальным газам, они с достаточной точностью могут быть применены для решения многих задач авиационной техники, в частности для определения свойств газов и расчёта термодинамических процессов, в задачах аэродинамики летательных аппаратов, теории авиационных двигателей и др.

Впервые уравнение, которое в какой-то мере учитывает реальные свойства газов, предложил Ван–дер–Ваальс (1873 г.). Он добавил к внешнему давлению величину внутреннего молекулярного давления, которое было принято пропорциональным квадрату его плотности, т.е.

p_{вн. мол.} = а·ρ² ,

и отнял из общего объёма одного килограмма газа объём в, занимаемый его молекулами.

С учётом этих двух поправок и сил взаимодействия между молекулами, уравнение состояния реального газа получило вид

(p + a·ρ²) · (υ – в) = R·T. (1.16)

1.5. Понятие о термодинамическом процессе. Равновесные (обратимые) и неравновесные (необратимые) процессы

1.5.1. Равновесные (обратимые) процессы

Термодинамическая система может находиться в равновесном и неравновесном состояниях.

Система находится в термодинамическом равновесии, если при отсутствии внешних воздействий основные свойства системы (например, давление и температура) во всех частях её одинаковы и неизменны во времени. i

Если же отдельные части тела системы обладают неодинаковыми свойствами, то такая система неравновесна. С течением времени неравновесная изолированная система станет равновесной (нап­ример, температура станет во всех её частях и телах одинаковой).

При каждом местном тепловом или механическом воздействии на термодинамическую систему требуется определенное время релакса­ции (выравнивания), чтобы состояние во всех частях системы стало одинаковым.

Термодинамическим процессом называется процесс последовательного изменения состояния системы при тепловом или механическом, или одновременно тепловом и механическом воздействиях на неё извне.

В технической термодинамике процесс считается равновесным, если он протекает бесконечно медленно, под действием бесконечно малой разности температур и давлений.

Термодинамический процесс считается обратимым, если термодинамическая система, оставаясь всё время равновесной, переходит из одного состояния в другое в одном направлении и обратно через все те же промежуточные состояния, не оставляя в системе или вне её каких либо изменений.

Таким образом, для равновесных (обратимых) процессов характерны следующие особенности:

1. Давление и температуру термодинамической системы всегда можно считать равными давлению и температуре окружающей (внешней) среды;

2. Система в любой момент процесса может считаться находящейся в равновесном состоянии;

3. Количество энергии, отданное окружающей (внешней) средой системе в виде работы, всегда равно количеству энергии, воспринятой системой в том же виде;

4. Равновесный процесс протекает бесконечно медленно.

Эти особенности очень важны для термодинамики, так как они дают возможность оперировать параметрами состояния системы при анализе процессов и определять количество работы и теплоты через параметры состояния системы.

Равновесные процессы являются условным, идеализированным понятием. Однако опыт показывает, что это абстрактное понятие может быть с успехом применено не только в установлении общих закономерностей термодинамики, но и для расчёта многих реальных процессов. Таким образом, из сказанного выше можно сделать вывод: обратимый термодинамический процесс является фундаментальной моделью в термодинамике. Эта модель должна удовлетворять трём следующим условиям:

а) обратимые процессы допускают (в случае необходимости при помощи соответствующих вспомогательных средств) обратную последовательность процессов;

б) восстановление исходного состояния не требует затрат энергии;

в) обратимый процесс не должен оставлять ни в одном из участвующих тел изменений состояния системы.