4.2. Робочі тіла теплових двигунів

Перетворення теплоти в механічну роботу здійснюється у теплових двигунах, де робоче тіло знаходиться в газоподібному стані. Таким чином, робочим тілом теплових машин є газ або водяна пара. В цілому' гази умовно поділяють на ідеальні та реальні. Ідеальний газ — це абстракція, до якої приходять з метою спрощення в опису термодинамічних процесів. У випадку ідеального газу нехтують розмірами молекул і силами міжмолекулярної взаємодії. В реальних газах ці фактори враховуються. Як вказувалося в попередньому параграфі різниці між парою і газом немає — газ можна розглядати як пару певної рідини, яка знаходиться далеко від стану "зрідження", а пара — значно ближче до нього.

Макроскопічні величини, які характеризують фізичні властивості тіла в даний момент, називаються термодинамічними параметрами стану. Вони поділяються на інтенсивні (не залежать від маси тіла) і екстенсивні (пропорційні масі тіла).

До основних параметрів стану, які можна виміряти простими технічними засобами, відносять абсолютний тиск Р, абсолютну температуру Т і питомий об'єм и.

Додатково до цього існують ще калоричні параметри стану: внутрішня енергія U, ентальпія h, ентропія S.

Абсолютний тиск є середнім результатом силової дії молекул на стінки посудини і чисельно дорівнює силі, яка діє на одиницю площі поверхні по нормалі до неї:

(4.1)

де F - сила взята по нормалі до поверхні при умові рівномірного розподілу зусиль по ній; S — площа поверхні.

Розрізняють барометричний (атмосферний), манометричний тиск і вакуум або розрідження. Барометричний — це тиск навколишнього середовища, який вимірюють за допомогою барометрів. Манометричний тиск — це такий тиск, який перевищує барометричний, і вимірюють його манометрами. Якщо тиск нижчий за барометричний, то його називають вакуумом або розрідженням і вимірювання здійснюють за допомогою вакууметрів. Слід відзначити, що параметром стану робочого тіла є абсолютний тиск, який визначають таким чином:

(4.2)

де - відповідно покази барометра, манометра,

вакууметра. Слід мати на увазі, що у всі формули термодинаміки входять абсолютний тиск, виражений у паскалях. Це пояснюється тим, що надлишковий тиск або розрідження при одному і тому ж абсолютному тиску можуть мати . різні значення в залежності від величини барометричного тиску.

Температура є мірою інтенсивності теплового руху молекул. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії ступінь нагрітості тіла залежить від швидкості хаотичного руху молекул цього тіла. Тому температуру можна розглядати як міру середньої кінетичної енергії молекул. Кінетичну енергію молекул безпосередньо виміряти не можна. У зв'язку з цим для вимірювання температури використовують залежність її від певних властивостей речовини: теплового розширення, електричного опору, ємності і т.і. В залежності від необхідної точності і інтервалу температури її вимірюють за допомогою термометрів, термоопорів, термопар і оптичних пірометрів. Якщо позначати температуру, виміряну в одиницях енергії - джоулях - 9, а ту ж саму температуру, виміряну в градусах - Т, то зв'язок між ними виразиться через співвідношення:

(4.3)

де- стала Больцмана

В СІ для вимірювання температури прийнята шкала Кельвіна, де одиницею вимірювання температури є Кельвін (1 К). Поряд з нею в Європі дуже поширена шкала Цельсія. Крім них ще користуються шкалами Фаренгейта і Теомюра. Оскільки не самі значення енергії системи, а лише різниця між ними мають певний фізичний зміст, то вибір нульової точки температури є питанням зручності і тому вона вибрана по домовленості. Це і пояснює існування декількох температурних шкал.

Співвідношення між ними:

Температуру вимірюють за допомогою термометрів, термоопорів, термопар і оптичних пірометрів. Першим приладом для вимірювання температури був термометр, який виготовив Галілео Галілей в 1597 році.

/. Термометри розширення.