Термодинамические параметры состояния

Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами. Рассмотрим некоторые из них, используя при этом известные из курса физики молекулярно-кинетические представления об идеальном газе как о совокупности молекул, которые имеют исчезающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом лишь при соударениях.

Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением

, (1.1)

где n – число молекул в единице объема; m – масса молекулы; – средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул.

В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях (1 Па=1 Н/м²). Поскольку эта единица мала, удобнее использовать 1 кПа=1000 Па и 1 МПа=10⁶ Па. До введения системы СИ давление измеряли в технических атмосферах (1 ат=1 =980665 Па@0,1 МПа) и в барах (1 бар=0,1 МПа). Жидкостные манометры чаще всего дают давление в мм ртутного или водяного столба (1 мм вод. ст.=9,80665 Па; 1 мм рт. ст.= =133,32 Па).

Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров. Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, представляющее собой разность между полным или абсолютным давлением р измеряемой среды и атмосферным давлением р _атм, т.е. .

Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуумметрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума): , т.е. избыток атмосферного давления над абсолютным.

Следует подчеркнуть, что термодинамическим параметром состояния является абсолютное давление. Именно оно входит в термодинамические уравнения.

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с величиной средней кинетической энергии молекул вещества:

, (1.2)

где k – постоянная Больцмана, равная 1,380662×10^-23 Дж/К. Температура Т, определенная таким образом, называется абсолютной.

В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широко применяется градус Цельсия, другими словами, стоградусной шкалы (°С). Величина постоянной Больцмана выбрана из условия, чтобы одно деление шкалы абсолютной температуры равнялось одному делению стоградусной шкалы. Соотношение между абсолютной температурой Т и стоградусной t имеет вид

.

В США и Англии до сих пор используется шкала Фаренгейта: .

В промышленных и лабораторных установках температуру измеряют с помощью жидкостных термометров, пирометров, тепловизоров, термопар и других приборов.

Удельный объем v – это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой М занимает объем V, то по определению .

В системе СИ единица удельного объема 1 м³/кг. Между удельным объемом вещества и его плотностью существует очевидное соотношение: .

Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях, вводится понятие «нормальные физические условия»: р = 760 мм. рт. ст = 101,325 кПа; Т = 273,15 К.

В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные от приведенных «нормальные условия», например, «технические» (р = 735,6 мм. рт. ст = 98 кПа, t = 15 °С) или нормальные условия для оценки производительности компрессоров (р = 101,325 кПа, t = 20 °С) и т. д. В данном пособии будут использоваться нормальные физические условия.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным.

Если между различными точками в системе существуют разности температур, давлений и других параметров, то она является неравновесной. В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты и/или вещества, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В классической термодинамике рассматриваются только равновесные термодинамические системы.