Э Э нергомашиностроение. 6 Лекция 1 Основные понятия и определения Лекция 1 Основные понятия и определения Давление. Температура. Удельный объем. Уравнения состояния. Нормальные условия. Шкала абсолютного потенциала взаимодействия. Нулевой закон термодинамики. Условия построения температурной шкалы. Шкалы относительной температуры. Шкалы абсолютной температуры. Термодинамическая температура. Лекции по ТиТ доцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.

2 Давление Давление В международной системе единиц давление измеряют в Н/м 2 (ньютон на квадратный метр) и обозначают буквой р. Эта единица очень мала, поэтому удобнее применять более крупную единицу давления, равную 10 5 Н/м 2, называемую баром. Измерять давление можно также высотой столба какой-либо жидкости. Так, 1 бару соответствует высота столба ртути, равная 750 мм при t рт = 0° С. Также применяют: 1) техническую атмосферу, которой соответствует сила действия газа в 1 кг на 1 см 2 поверхности: 1 техн. ат. = 1 кГ/см 2 = кГ/м 2 Технической атмосфере соответствует высота ртутного столба 735,6 мм при температуре ртути 0° С и водяного при температуре воды 4° С;

3 2) физическую атмосферу, которая равна среднему давлению воздуха на поверхность океанов. Это давление соответствует высоте ртутного столба 760 мм при температуре ртути 0°С; 1 физ. атм. = 1,033 кГ/см 2 = кГ/м 2 Связь между единицами измерения давления в системе СИ и единицами в других системах следующая: 1 ат = 1 кГ/см 2 =10 4 кГ/м 2 98,1 кн/м 2 0,0981 Мн/м 2 1 физ. атм = 1,0133*10 5 н/м 2 1 мм вод. ст. = 1 кГ/м 2 9,81 н/м 2 1 мм рт. ст. 133,3 н/м 2 В термодинамике существует понятие абсолютного и избыточного давления. Допустим, что имеется сосуд (рис. 1), соединенный с U-образной трубкой, в которой находится жидкость. Если сосуд закрыть и увеличить в нем давление, то часть жидкости из левого колена U-образной трубки будет вытеснена в правое, вследствие чего образуется разность Уровней. Давление в сосуде, так называемое абсолютное давление p абс будет уравновешиваться давлением атмосферы р бар, измеряемым барометром и давлением столба жидкости высотой Н, называемым избыточным давлением р изб Таким образом (1)

4 Рис. 1. Схема жидкостного манометра Рис. 2. Схема вакуумметра

5 (2) Рис. 3. Связь между барометрическим, манометрическим давлением и давлением вакуума При снижении давления в сосуде наружное давление р бар будет уравновешиваться давлением внутри сосуда р абс и разрежением р вак, создаваемым столбом жидкости высотой Н. Таким образом, Таким образом, абсолютное давление, будь оно выше или ниже атмосферного, можно измерить только при помощи двух приборов: барометра и манометра, или барометра и вакуумметра. Параметром состояния является абсолютное давление р абс.

6 Температура Температура За единицу измерения температуры принимают градус (1°), который можно определить следующим образом. Пусть в качестве жидкости в термометре используется ртуть, объем которой может изменяться в результате изменения одного размера высоты столба. Выберем два состояния какого-либо вещества, которые легко воспроизвести. Для определения единицы температуры удобно использовать состояние плавления льда при давлении 760 мм рт. ст. Температуру этого состояния принимают равной 0°. Второе состояние конденсация водяных паров при том же давлении. Температуру этого состояния принимают равной 100 ° С. Поместим термометр в плавящийся лед, а затем в конденсирующийся пар и определим линейное приращение столба ртути. Положения столба жидкости, соответствующие таким состояниям, называются реперными точками. Разделим приращение столба ртути на 100 равных делений, тогда каждое деление будет соответствовать одному градусу по шкале Цельсия (1° С). Наряду со стоградусной шкалой применяется также шкала абсолютных температур, нуль которой лежит на 273,15° (округленно 273°) ниже температуры точки плавления льда. Температура, измеряемая по этой шкале, называется абсолютной, или температурой в градусах Кельвина. В обеих шкалах единица измерения (градус) остается одной и той же. Абсолютную температуру обозначают через Т° К, температуру по стоградусной шкале через t° С. В соответствии со сказанным выше (3)(3)

7 Удельный объём Удельным объемом называют объем единицы массы тела. Определяют его как объем 1 кг тела, выраженный в кубических метрах. Если обозначить объем т кг вещества через V м 3, то его удельный объем определится как Плотность ρ представляет собой массу вещества, заключенную в единице объема, т. е. Таким образом, плотность вещества является величиной, обратной удельному объему: (4) (5) (6)

8 Уравнение состояния Наиболее удобным выражением зависимости между основными параметрами (р,, Т, ) является аналитическое уравнение. Так как уравнением (7) определяется состояние рабочего тела, то его называют уравнением состояния. (7) (8) (9) (10) Нормальные условия В термодинамических расчетах, так же как и в расчетах теплотехнических, очень часто используется понятие «нормальные физические условия», характеризуемые давлением 760 мм рт. ст. и температурой 0° С. Во многих расчетах бывает удобнее рассматривать такое количество рабочего тела, которое при нормальных условиях занимает объем, равный 1 м 3. При этом считают, что расчеты ведутся по отношению к одному кубическому метру (м 3 ), хотя это не соответ­ ствует точному физическому смыслу принятого условия. Иногда за нормальные условия принимают давление 735,6 мм рт. ст. (при температуре ртути 0° С) и температуру 15° С. Такие условия, используемые очень редко, называют нормальными техническими условиями.

9 Шкала абсолютного потенциала взаимодействия Выражение для абсолютного потенциала можно получить следующим образом. Количества воздействий при постоянных значениях потенциалов Р 1 и Р 2 представим на основе уравнения в виде Положим, что в обоих случаях изменение координаты состояния одинаково, т.е. Δx 1 = Δx 1 = Δx 1. При этом справедливо линейное соотношение (11) (12) где W 1 и W 2 – количества воздействий, которые имеют место при постоянных значениях потенциалов Р 1 и P 2 соответственно при одном и том же изменении координаты состояния; ΔP=P 1 - P 2 разность потенциалов.

10 Нулевой закон термодинамики. Условия построения температурной шкалы Нулевой закон термодинамики. Условия построения температурной шкалы Введение понятия температуры и ее измерение основаны на допущении, являющемся следствием опытных фактов, что все тела, находящиеся в соприкосновении, приходят в конце концов к тепловому равновесию и принимают одинаковую температуру. Хотя это положение кажется весьма очевидным, тем не менее оно не вытекает ни из каких других известных опытных фактов и поэтому нередко относится к категории законов. Выдающийся физик М. Планк заметил по этому поводу: «То, что два тела, находясь в термическом равновесии с третьим, находятся и между собой в термическом равновесии, вовсе не само собой понятно, но очень замечательно и важно». Данное положение часто называют нулевым законом термодинамики. Закон термического равновесия позволяет однозначно измерять температуру термометром. Термометр показывает свою температуру, но она равна температуре тела, с которым термометр находится в термическом равновесии.

11 Шкалы относительной температуры где G K, G П значения термометрического свойства G в реперных точках; Θ К и Θ П значения температуры, принятые для реперных точек; ΔG = G K - G П ; ΔΘ = Θ К - Θ П ; Θ значение температуры в тепловом состоянии, которому соответствует значение термометрического свойства G. (13) (14) (15) (16) Рис. 4. Линейная зависимость термометрического свойства от температуры

12 Рис. 5. Показание термометров при различном характере зависимости термометрического свойство от температуры

13 Шкалы абсолютной температуры. Термодинамическая температура Шкалы абсолютной температуры. Термодинамическая температура где Q П и Q K количества теплоты, подведенной к системе на температурных уровнях, соответствующих состояниям плавления льда и кипения воды при одном и том же значении изменения энтропии (ΔS K = ΔS П ); ΔT разность температур между реперными точками. Рис. 6. К определению идеально- газовой шкалы температуры

14 Показания термометров с разными термометрическими свойствами 50 0 С200 0 С Объем ртути 50,0202,2 Давление пара этилового спирта при V=const 23,3132,0 ЭДС платинородий- платиновой термопары 46,4222,5 Электрическая сопротивление платины 50,25195,7

15 Контрольные вопросы Основные понятия и определения в термодинамике. Техническая атмосфера Техническая атмосфера Физическая атмосфера Физическая атмосфера Нормальные технические условия Нулевой закон термодинамики (закон термического равновесия). Шкала абсолютного потенциала взаимодействия. Шкалы относительной температуры. Шкалы абсолютной температуры. Термодинамическая температура.Шкалы относительной температуры. Шкалы абсолютной температуры. Термодинамическая температура. Связь между барометрическим, манометрическим давлением и давлением вакуума Связь между барометрическим, манометрическим давлением и давлением вакуума