Занятие №1 Основные термодинамические параметры состояния

Практическое занятие №1

Основные термодинамические параметры состояния

Целью работы является закрепление знаний студентов о температуре, давление и удельного объема как важном термодинамическом параметре системы, ознакомление их с основными методами измерения и особенностями измерительных приборов различного типа.
Физическое состояние тела вполне определяется некоторыми величинами, характеризующими данное состояние, которые в тер­модинамике называют параметрами состояния.
Параметрами состояния могут быть целый ряд величин: удель­ный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внут­ренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, изохорно-изотермный потенциал и др.
Однако при отсутствии силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) состояние однородного тела может быть однозначно определено тремя параметрами, в качестве которых в технической термодинамике принимают удельный объем, абсо­лютную температуру и давление.
Эти три параметра, называемые обычно основными, не явля­ются независимыми величинами и, как будет показано далее, свя­заны между собой вполне определенными математическими зави­симостями.
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;
т – масса молекулы; с² – сред­няя квадратическая 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.
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 p_атм, т.е. р_изб=р_атм – р.
Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуум­метрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума): р_изб=р_атм – р , т.е. избыток атмосферного давления над абсолютным.
Следует отметить, что 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10ˉ²³ Дж/К. Температура T, определенная таким образом, называет­ся абсолютной.
В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широ­ко применяется градус Цельсия (°С). Со­отношение между абсолютной Т и стогра­дусной t температурами имеет вид
.
В промышленных и лабораторных ус­ловиях температуру измеряют с помощью жидкостных термометров, пиро­метров, термопар и других приборов.
Удельный объем  — это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой М занимает объем , то по определению
= V/М.
В системе СИ единица удельного объема 1 м³/кг. Между удельным объемом вещества и его плотность существует очевидное соотношение:

Для сравнения величин, характери­зующих системы в одинаковых состояни­ях, вводится понятие «нормальные физи­ческие условия»:
p=760 мм рт.ст.= 101,325 кПа; T=273,15 K.
В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные от приведенных «нормальные условия», например, «технические» (p= 735,6 мм рт.ст.= 98 кПа, t=15 ˚C) или нормальные условия для оценки производительности компрессоров (p=101,325 кПа, t=20 ˚С) и т.д.
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, вещества и другие, 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 системы.

Задача №1

Условие задачи: Определить массовое потребления кислорода, протекающего по трубопроводу с объемным расходом V = 10 м3/сек, при температуре t =127 °C и давлении p = 0,4 МПа.
Решение:

Задача №2
Условие задачи: В сосуд объёма V=10-2 м3, наполненный сухим воздухом при давлении p0=105 Па и tо=0 °C вводят Мп=3 г воды. Сосуд нагревают до полного испарения жидкости и затем до температуры t 1= 100 °С. Каково давление воздуха в сосуде при этой температуре?
Решение: