Параметры термодинамического состояния Примеры таких параметров

Параметры термодинамического состояния Примеры таких параметров

Все величины, характеризующие термодинамическое состояние системы, называются параметрами состояния системы. Примеры таких параметров (единицы величин приводятся в системе СИ): р — давление, Па; Т — термодинамическая температура, К; V — объем, м3; m — масса, кг; п — количество вещества, моль; Н — энтальпия, Дж; Нп — напряженность магнитного поля, А/м; J — намагниченность, А/м; a — местная скорость звука, м/с. Давление — величина, определяемая отношением нормальной, т. е. направленной перпендикулярно к поверхности, на которую она действует, силы в ньютонах к площади этой поверхности в квадратных метрах. Согласно Международной системе единиц СИ давление имеет единицу величины Н/м2 и называется паскаль (Па), но допускаются и другие так называемые внесистемные единицы давления: техническая атмосфера (ат), обозначаемая иногда через ати (избыточная техническая атмосфера) или через ата (абсолютная техническая атмосфера); физическая атмосфера (атм) — давление атмосферного воздуха на уровне моря; бар (бар); миллиметры ртутного (мм рт. ст.) и водяного столба (мм вод. ст.). Числовые соотношения между различными единицами измерения давления следующие: Для измерения давлений применяют приборы, называемые барометрами, манометрами и вакуумметрами. Использование жидкостного манометра требует приведения высоты столба жидкости h при температуре t к столбу жидкости при температуре 0 °С Л0. Например, для ртути где численный коэффициент соответствует объемному расширению ртути. Барометрами измеряют атмосферное давление рбар на уровне земли, манометрами — давление рман, которое больше атмосферного, а вакуумметрами — давление меньше атмосфер-ного рвак» Термодинамическим параметром состояния является только абсолютное давление, которое отсчитыва-ется от абсолютного нуля давления (абсолютного вакуума), что хорошо видно на рис. 1.3. Для точки 1 абсолютное давление р, = р6ар + рман, для точки 2 — р2= рбар - рвак. Избыточным или манометрическим давлением рмян называется дав- D D ман -гман ление выше атмосферного, т.е. раз- между абсолютным и баромет- рическим давлением: Рман = Р "Рбар- (1.2) РИС. 1.3 Избыточное давление не определяет состояния ТРТ и поэтому параметром состояния не является. В технике до сих пор часто используют внесистемную единицу атмосферу (ат), добавляя к этому обозначению букву «а» или «и», чтобы обозначить абсолютную или избыточную величину давления: ата или ати. Очевидно, что абсолютное давление р будет в этом случае иметь единицу величины ата. Разрежением или вакуумом рмк называется разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением той среды, где оно измеряется Рвак Рбар Р и показывает, насколько давление ТРТ меньше давления окружающей среды. В термодинамических уравнениях всегда используются значения абсолютного давления р, ввиду того что оно является параметром, характеризующим состояние термодинамической системы: Р=Рбар+Рмап> Р ~ Рбар ~ Рвак- Естественно, арифметические действия необходимо выполнять с величинами, выраженными в одних и тех же единицах измирения давления. Температура показывает, насколько нагрето или охлаждено ТРТ. Она является физической величиной, характеризи-рующей интенсивность хаотического движения частиц, образующих систему. Для газов и жидкостей она пропорциональна квадрату средней скорости поступательного движения атомов или молекул, а для твердых тел — энергии колебательных движений атомов или молекул. Предельно малая или нулевая абсолютная температура — недостижимое на практике для большого числа частиц состояние, когда полностью прекращено тепловое движение всех частиц, составляющих ТРТ. Абсолютная температура — величина всегда положительная. В настоящее время используются две температурные шкалы: термодинамическая шкала температур в Кельвинах (К); международная практическая шкала в градусах Цельсия (°С). За основные точки в международной практической шкале принимаются точка таяния льда (О °С) и точка кипения воды (100 °С) при нормальном атмосферном давлении р = 101325 Па. Разность показаний в этих двух точках, деленная на 100, представляет 1 °С. Между шкалой температур в Кельвинах (Т) и шкалой температур в градусах Цельсия (£) имеется следующее соотношение: Т = t + 273,15. (1.6) Наряду с указанными шкалами в США широко используется шкала Фаренгейта. В этой шкале температура таяния льда соответствует 32 °F, а кипения воды равна 212 °F. Разность показаний в этих точках, деленная на 180, представляет 1 °F. Связь между международной практической температурой t и температурой Фаренгейта f определяется из следующей пропорции: t ^ 100 5 f - 32 180 9' Отсюда t = |(/-32). Параметром состояния является температура, выраженная в Кельвинах, но один градус термодинамической шкалы температур в Кельвинах (1 К) равен градусу шкалы Цельсия (1 °С), так 4TodT = dt. Для измерения такой важной величины, как температура, придумано огромное число измерительных устройств и индикаторов. Все они основаны на фиксировании изменений свойств тел при изменении температуры (тепловое расширение, электрическое сопротивление, контактная ЭДС, мощность теплового излучения, изменение цвета и т. д.). Оказалось, что можно измерять температуру даже на поверхности спускаемых аппаратов космических кораблей, а она может доходить до 2500 °С. Для этого используются специально разработанные термокраски, изменение цвета которых и свидетельствует об имевших место температурах. Для характеристики объема, занимаемого единицей массы вещества, вводится понятие удельного объема. Удельный объем v связан с массой вещества т и его объемом V соотношением v = V/m> выражаемым обычно в м3/кг. Термодинамические параметры могут получаться один из другого: р = m/V = 1/v — плотность, кг/м3; V = V/n — мольный или молярный объем, м3/моль; С = n/V = 1/V — молярная концентрация, моль/м3; h = Н/т — удельная энтальпия, Дж/кг; Н = Н/п — молярная энтальпия, Дж/моль. В дальнейшем по мере необходимости будут вводиться и другие термодинамические параметры состояния. При этом всегда следует придерживаться такого правила: все величины, отнесенные к массе вещества т, обозначать аналогичными малыми буквами (прописными) и называть удельными, а величины, отнесенные к количеству вещества в молях (/г), обозначать такой же буквой, как и для произвольного количества вещества, только с символом «л» и называть молярными или мольными величинами. Массу частиц ТРТ характеризуют следующие величины: • молекулярная масса т, — масса отдельной частицы, кг; • относительная молекулярная масса вещества, вводимая соотношением M = mJ Y2 m12c, где ml2c — масса атома изотопа углерода 12С; М — величина безразмерная; • молярная масса m вещества — масса одного моля, кг/моль, где Na = 6,022045 • 1023 моль 1 — постоянная Авогад-ро. Между этими величинами имеет место следующая связь числовых значений: {пг} — 10~3М. Таблица 1.2 Вещество mv 10"26 кг М т кг/моль кг/кмоль N2 4,65196 28,0134 0,0280134 28,0134 С02 7,30812 44,0098 0,0440098 44,0098 В табл. 1.2 приведены примеры рассматриваемых величин для азота и диоксида углерода.