Параметры и уравнения состояния. Краткая теоретическая часть

Термодинамика, как общее учение об энергии, является фундаментальной общеинженерной наукой. Как и все научные дисциплины, термодинамика имеет свои понятия и свой математический аппарат. Первоочередным понятием является понятие термодинамической системы – то, с чем термодинамика работает.

Термодинамическая система (ТС) – это ограниченная область пространства (рабочего тела – РТ), подлежащая рассмотрению, вне которой расположена окружающая среда.

Параметры состояния ТС – это макроскопические переменные, характеризующие состояние данной ТС, и зависящие от её свойств.

К параметрам состояния ТС относятся:

удельный объём – v, м3/кг;

температура по шкале Кельвина – T, К;

T = 273,15 + t, °C; (1.1)

абсолютное давление – PатА, Па;

PатА = PатИ + B; (1.2)

PатА = В – РВАК,(1.3)

где: PатА – абсолютное давление, PатИ – избыточное давление, В – барометрическое давление, PВАК – вакуумметрическое давление.

Единицы измерения давления:

в системе СИ – [P] = Па = Н/м2 (1 Н = 1 кг×м/с2);

в несистемных единицах – 1 бар = 105 Па = 750 ммHg;

в технической системе единиц – 1 ат = 1 кГ/см2 = 0,981 × 105 Па = = 735,6 ммHg = 10 мH2O

кГ является единицей силы: 1 кГ = 9,81 Н.

кг является единицей массы: 1 кг = 1000 г. Это эталонная величина.

кГ означает, что на 1 кг силы приходится 9,81 Н.

атмосфера физическая – 1 физ. ат. = 760 мм Hg = 101325 Па.

Переводные соотношения: 1 мм Hg = 133,322 Па; 1 мм H2O = 9,81 Па.

Нормальными условиями состояния ТС являются:

давление 101325 Па;

температура 273,15 К.

Единицы измерения энергии:

в системе СИ – 1 Дж = 1 Нм = 1 кг×м2/с2

в технической системе единиц – 1 кал.

Переводное соотношение: 1 кал = 4,184 Дж.

К функциям состояния ТС относятся:

внутренняя энергия – u; [u] = Дж/кг;

энтальпия – h; h = u + Pv; [h] = Дж/кг;

энтропия – s; [s] = Дж/кг×К.

Внутренняя энергия ТС – это общий запас энергии ТС за вычетом кинетической энергии ТС в целом и её потенциальной энергии положения. Внутренняя энергия ТС зависит от природы вещества, его массы и от параметров состояния ТС. С увеличением массы пропорционально ей возрастает и внутренняя энергия, так как она является экстенсивным свойством ТС. Таким образом, внутренняя энергия ТС является её функцией состояния.

Энтальпия ТС – это энергия расширенной ТС, состоящая из внутренней энергии и работы, которую следует совершить, чтобы ТС объёмом V переместить в окружающую среду с давлением P. Как и внутренняя энергия, энтальпия ТС является её функцией состояния.

Каждая ТС, находящаяся в состоянии равновесия, характеризуется уравнением состояния вида:

F(P, V, T) = 0. (1.4)

Параметры состояния ТС должны быть одинаковыми по всему её объёму. В таком случае её состояние вполне определяется заданием двух параметров, а третий является их функцией:

P = F1(V, T); V = F2(P, T); T = F3(P, V). (1.5)

Уравнение состояния идеального газа:

для единичной массы ТС:

Pv = RT; (1.6)

для массы ТС:

PV = MRT. (1.7)

Уравнение состояния для реальной ТС:

,(1.8)

где: R – универсальная газовая постоянная; a, b – постоянные для каждого газа.

Универсальная газовая постоянная R может быть выражена следующим образом:

[R] = Дж/(моль×К); [Rμ] = Дж/(кг×К).

,(1.9)

где μ – молярная масса ТС.

Далее подстрочный индекс "μ" опустим. ............