1. Основные термические параметры состояния

Термодинамическая система характеризуется определенными значениями ее свойств. Эти свойства термодинамического тела (системы) называются параметрами состояния.

Параметр состояния – любая величина, присущая телу, изменение которой определяется только начальным и конечным состояниями тела и не зависит от характера процесса изменения его состояния при переходе тела из первого состояния во второе.

Все термодинамические параметры введены человеком для удобства изучения окружающего мира. Однако не все параметры поддаются измерению приборами. Ряд параметров, не поддающихся измерению, человек ввел для удобства расчета термодинамических процессов. Эти параметры получаются расчетным путем и имеют в размерности величину работы (энергии) джоуль или калория. Например, к ним относятся энтальпия и энтропия. Такие параметры получили название энергетических или калорических параметров, или функций состояния. Параметры, которые возможно измерить приборами, называются термическими. К основным термическим параметрам состояния относятся: удельный объем, давление и температура.

Удельный объем

Удельный объем – это объем единицы массы вещества (м³/кг):

, (1.1)

где V – объем тела, м³; m – масса тела, кг.

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью (кг/м³):

. (1.2)

В практике часто используется понятие удельного веса – это вес единицы объема тела (Н/м³):

, (1.3)

где g – ускорение свободного падения (приблизительно 9,81 м/с²).

При переводе любой величины с несистемной размерностью в СИ, руководствуются следующим правилом: умножают эту величину на эквивалент ее единицы в СИ, получаемый заменой единиц несистемных составляющих параметра величинами, эквивалентными СИ, и выполняют с ними арифметические действия операторами размерности. Например, для перевода удельного веса из г/см³ в СИ необходимо

.

При этом надо помнить, что 1 кгс = 9,81 Н. Этим соотношением часто пользуются при переводе несистемных единиц в СИ.

Давление

Давление – это силовое воздействие (F) тела и его частей на окружающую среду или оболочку и на соседние части того же тела, приходящееся на единицу поверхности (S). Это силовое воздействие направлено перпендикулярно к любому элементу поверхности и уравновешивается обратно направленным силовым воздействием окружающей среды, оболочки или соседнего элемента того же тела.

.

В СИ используется единица давления паскаль (Па), это 1 Н/м², т.е. сила в один ньютон, действующая по нормали к поверхности площадью в один квадратный метр. Для технических измерений паскаль очень маленькая величина, поэтому ввели кратную паскалю единицу давления бар: 1 бар = 10⁵ Па. Выбор этой единицы измерения давления объясняется тем, что атмосферное давление воздуха на поверхности Земли приблизительно равно одному бару.

В технике часто используется единица измерения давления в старой системе (СГС) – техническая атмосфера 1 атм = 1 кгс/см² (не путать с понятием физической атмосферы).

Часто измеряют давление, особенно небольшое, высотой столба жидкости (ртуть, вода, спирт и т.д.). Столб жидкости производит на дно сосуда давление, определяемое равенством

, (1.4)

где ρ – плотность жидкости, кг/м³;

Н – высота столба жидкости, м;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

F, S – сила, действующая на дно сосуда, и площадь поверхности дна.

Из уравнения (1.4) следует, что давлению р соответствует высота столба жидкости Н = р/(ρg), т.е. высота Н прямо пропорциональна давлению, поскольку ρg – величина постоянная.

В практике высоту столба жидкости часто берут для оценки давления. Поэтому метры и миллиметры столба жидкости стали единицами измерения давления. Для перехода от высоты столба жидкости к паскалям необходимо в формулу (1.4) подставить все величины в СИ.

Например, в земных условиях плотность воды при 4 ^оС составляет 1000 кг/м³, ртути при 0 ^оС – 13595 кг/м³. Подставив эти величины в формулу (1.4), получим соотношения для 1мм столба этих жидкостей и давления в Па:

Н = 1 мм вод. ст. соответствует р = 10³·9,81·10^-3= 9,81 Па;

Н = 1 мм рт.ст. соответствует р = 13595·9,81·10^-3= 133,37 Па.

При определении давления высотой столба жидкости необходимо учитывать изменение ее плотности в зависимости от температуры. Это следует делать для сопоставления результатов измерения давления. Так, при определении атмосферного давления с помощью ртутного барометра его показания приводятся к 0 ^оС исходя из соотношения

, (1.5)

где В – действительная высота ртутного столба барометра при температуре ртути t ^оС;

В_о – показания барометра, приведенные к 0 ^оС.

В расчетах используются давления столбов жидкости, приведенные к 0 ^оС.

Измерение давления в технике основано на показаниях различных приборов, действующих по принципу отражения на шкале величины, численно равной разности давлений в месте замера и давления окружающей среды. Как правило, приборы имеют положительную шкалу, т.е. разность между большим и меньшим давлением. Поэтому они подразделяются на приборы для замера давления: больше атмосферного – манометры, меньше атмосферного – вакуумметры.

Давление по шкале этих приборов называется манометрическим давлением р_М и вакуум р_В соответственно. Давление в месте замера называется абсолютным р. Давление окружающей среды называется давлением атмосферного воздуха или барометрическим В, поскольку приборы, как правило, установлены в окружающем его атмосферном воздухе.

Расчетные зависимости давления по приборам следующие:

манометрическое давление

, (1.6)

где р_м – манометрическое давление (по прибору);

р – абсолютное давление,

В – давление атмосферного воздуха (барометрическое);

вакуум

, (1.7)

где р_в – вакуум (показания вакуумметра).

Параметром состояния термодинамического тела является абсолютное давление, при использовании приборов оно будет определяться в зависимости от прибора по следующим зависимостям:

для манометра

, (1.8)

для вакуумметра

. (1.9)