Основные термодинамические параметры и уравнения состояния рабочего тела

Работа тепловых машин осуществляется с помощью рабочего тела, в качестве которого в подавляющем большинстве случаев используются вещества в газообразном состоянии. Газы обладают способностью значительно изменять свой объем под воздействием внешних условий, а это необходимо для работы тепловых машин. Свойства рабочих тел зависят от того, в каких условиях они находятся. Величины, характеризующие состояние рабочих тел, называются параметрами состояния. В случае отсутствия внешних силовых полей, а также при малом их воздействия на рабочее тело основными термодинамическими параметрами, полностью характеризующими его состояние, являются давление, удельный объем и абсолютная температура.

Давление p представляет собой нормальную составляющую силы, действующей на поверхность, отнесенную к величине площади этой поверхности. В единицах СИ сила измеряется в ньютонах, поверхность – в квадратных метрах, отсюда единица измерения давления ­­– Н/м². Эта единица получила название паскаль (Па). Так как эта единица очень мала, то на практике используются более крупные кратные единицы: килопаскаль (1 кПа = 10³ Па) или мегапаскаль (1 МПа = 10⁶ Па). Однако следует помнить, что во все термодинамические соотношения, записанные в СИ, необходимо подставлять давление р, выраженное в основных единицах, т.е. в паскалях.

Удельный объем v представляет собой выраженный в кубический метрах объем 1 кг массы газа. В случае замкнутой системы изменение удельного объема обусловлено только изменением ее объема. При этом если удельный объем уменьшается, то система подвергается сжатию. Если удельный объем увеличивается, то система расширяется.

Температура является мерой средней кинетической энергии молекул, т.е. мерой скорости их теплового движения. Чем эта скорость больше, тем выше температура тела. Абсолютная температура, обозначаемая буквой Т, характеризует степень нагретости тела и измеряется в кельвинах (К), на практике применяется так называемая Международная практическая шкала температуры, измерение в которой обычно производится в градусах Цельсия (º С). Обозначается эта температура буквой t. Между температурой, выраженной в кельвинах и в градусах Цельсия, существует следующая связь:

T = t + 273, 15 K.

Нужно помнить, что термодинамическим параметром состояния является только абсолютная температура Т.

Параметры состояния равновесной термодинамической системы связаны между собой зависимостью, называемой уравнением состояния. Уравнение состояния для одного килограмма вещества называется уравнением Клайперона:

pv = R₀T,

где R₀ – постоянная величина, которая имеет название удельной газовой постоянной, Дж/(кг· К). Значения удельной газовой постоянной берут из таблиц приложений в учебника [1].

Уравнение состояния для одного киломоля вещества называется уравнением Клайперона–Менделеева:

pV_μ =μ R₀T,

где V_μ – объем одного киломоля идеального газа при параметрах р и Т;

μ R₀=R_μ =8314, 31 – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль· К).