Рабочее тело. Основные параметры состояния

Предметом технической термодинамики является главным образом изучение процессов взаимного преобразования теплоты и работы в различных тепловых машинах. В тепловых двигателях преобразование теплоты в работу осуществляется при помощи так называемого рабочего тела. Рабочее тело - газообразное, жидкое или плазменное вещество, с помощью которого осуществляется преобразование какой-либо энергии при получении механической работы, холода, теплоты.

Физическое состояние тела вполне определяется некоторыми величинами, характеризующими данное состояние, которые в термодинамике называются параметрами состояния. Параметры состояния взаимно связаны, и любые из них можно рассматривать в качестве основных, а другие - в качестве производных. В технической термодинамике в качестве основных принято три параметра: удельный объем, абсолютная температура и абсолютное давление, которые связаны между собой вполне определенными математическими зависимостями.

Удельный объем v - это объем, занимаемый единицей массы рабочего тела. Если V - полный объем, занимаемый рабочим телом в м ³, m - его масса в кг, то

[м³/кг] (1.1)

Плотность тела определяется как масса единицы объема

[кг/м³]. (1.2)

Удельный объем есть величина, обратная плотности, т.е.

(1.3)

Температура, характеризуя степень нагретости тела, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул, т.е. температура характеризует среднюю интенсивность движения молекул, и, чем больше эта средняя скорость движения молекул, тем выше температура тела. Понятие температуры не может быть применено к одной или нескольким молекулам. Если два тела с различными средними кинетическими энергиями движения молекул привести в соприкосновение, то тело с большей кинетической энергией молекул (с большей температурой) будет отдавать энергию телу с меньшей средней кинетической энергией молекул (с меньшей температурой), и этот процесс будет протекать до тех пор, пока средние кинетические энергии молекул обоих тел не сравняются, т.е. не выровняются температуры обоих тел. Такое состояние двух тел называется тепловым равновесием.

Параметром состояния рабочего тела является абсолютная температура, измеряемая в градусах Кельвина /К/. Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и Цельсия, имеется следующая связь:

T = t + 273,15(1.4)

Абсолютная температура - величина всегда положительная, т.к. в данном случае отсчет температуры ведется по шкале, характеризуемой тем, что нулевая точка этой шкалы представляет собой наинизшую термодинамически возможную температуру. Эта точка называется абсолютным нулем.

Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенки сосуда, в котором заключен газ, и представляет собой нормальную составляющую силы, действующей на единицу поверхности.

Различают абсолютное, избыточное, барометрическое /атмосферное/ и вакуумметрическое давления.Термодинамическим параметром состояния является только абсолютное давление. Абсолютное давление - это полное давление, производимое паром или газом.

Пусть к сосуду, в котором находится, например, газ, подсоединен манометр (прибор для измерения давления). Когда давление газа равно давлению внешней среды, т.е. барометрическому давлению , то стрелка манометра находится на нуле шкалы. Когда же давление газа превышает барометрическое, стрелка отклоняется, показывая избыток давления газа над барометрическим, т.е. избыточное давление (рис. 1.1). Таким образом,

Р_а = Р_изб + Р_б. (1.5)

Если абсолютное давление Р_а меньше барометрического Р_б, то величина Н, показывающая на сколько Р_а меньше Р_б, называется разрежением или вакуумом.

Н=Р_вак= Р_б - Р_а ; Р_а = Р_б - Н. (1.6)

Избыточное давление измеряется манометром, а разрежение - вакуумметром.

Давление в системе СИ измеряется в паскалях:

1Па = 1Н/м² = 10^-3кПа = 10^-6МПа.

В технических расчетах пользуются иногда внесистемной единицей - баром: 1 бар = 10⁵Па.

Рисунок 1.1 – К измерению давления