Меню

Абсолютное давление в термодинамике это

ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Каждое равновесное состояние термодинамической системы характеризуется определенными физическими величинами — равновесными параметрами состояния. Внутренние параметры характеризуют внутреннее состояние системы. К ним относятся давление, температура, объем и др. Внешние параметры характеризуют положение системы (координаты) во внешних силовых полях и ее скорость.

В термодинамике существует также деление параметров на термические (давление, температура, объем) и калорические (удельная энергия, удельная теплоемкость, удельные скрытые теплоты фазовых переходов).

Для характеристики конкретных условий, в которых находится данная система, или процесса, идущего в системе, необходимо прежде всего знать такие внутренние параметры состояния, как удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура.

Удельный объем (v, м 3 /кг) — это объем единицы массы или величина, оп­ределяемая отношением объема к его массе другими словами Удельный объем v есть объем единицы веса, т. е. объем в кубических метрах, занимаемый одним кило­граммом газа.

[2]

где V — объем произвольного количества вещества, м 3 ; m — масса этого веще­ства, кг.

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью (ρ, кг/м 3 );

Плотность это масса вещества, содержащаяся в единице объема или другими словами, масса единицы объема жидкости называется плотностью

; [3]

Удельный вес— вес единицы объема жидкости называется удельным весом (кгс, кгс/м 3 , Н/м 3 )

Масса и вес связаны между собой отношением

или G = mg где g – ускорение свободного падения м/с 2

с учетом [3] получим соотношение между удельным весом и плотностью

Давление — величина, определяемая отношением силы (нормальной со­ставляющей силы), действующей на поверхность, к площади этой поверхно­сти (р, Па = Н/м 2 )

Р = ; [4]

где Fн — нормальная составляющая силы, [Н]; S — площадь поверхности, нор­мальной к действующей силе [м 2 ]

В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа рассматривается как результат ударов молекул о стенки сосуда и определяется соотношением [5]

где n — число молекул в единице объема; m — масса молекулы; с 2 — средняя квадратичная скорость поступа­тельного движения молекул.

Согласно Международной системе единиц (СИ) удельное давление заме­ряют в Ньютонах на один квадратный метр (Н/м 2 ). Эта единица измерения давления называется Паскалем (Па). Один мегапаскаль равен 10 6 Па (1 МПа = 10 6 Па).

До настоящего времени в технике используется также старая единица измерения удельного давления — техническая атмосфера (ат), представляю­щая собой силу в 1 кгс, действующую на 1 см 2 площади. 1 ат = 1 кгс/см 2 = 10 4 кгс/м 2 = 9,8 . 10 4 Н/м 2 =9,8 . 10 4 Па = 0,981 бар; 1 бар = 1,01972 кгс/см 2 = 10 5 Па. 1кПа = 10 3 Па.

Различают давления атмосферное, избыточное и разрежение (вакуум). Атмосферным называется давление атмосферного воздуха на уровне моря. За величину атмосферного давления принимается давление столба ртути высотой 760 мм (одна физическая атмосфера — обозначается атм.). Таким обра­зом, 1атм = 760 миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.). 1 мм рт.ст. = 133 Па, 1 атм = 10 5 Па

Давление больше атмосферного, называется избыточным, а меньше атмосферного — разрежением. Для измерения давления применяют маномет­ры, атмосферного давления — барометры, разрежения — вакуумметры.

Термодинамическим параметром состояния является только абсолютное давление, которое отсчитывается от абсолютного нуля давления или абсо­лютного вакуума.

Для измерения давления в технике применяют приборы, измеряющие не абсолютное (полное) давление (Рабс), а разность между абсолютным и атмосфер­ным (барометрическим) давлением Ратм.

Приборы, применяемые для измерения давлений, больших атмосферного, называются манометрами. Они показы­вают избыток давления измеряемой среды над атмосферным (манометрическое давление). Для измерения давлений меньших атмосфер­ного, применяют вакуумметры, которые показывают, насколько абсолютное давление окружающей среды меньше атмосферного. Эту недостачу давления до атмосферного называют вакуумом.

Читайте также:  Виды емкостных датчиков давления

При замере давлений жидкостными приборами вследствие расширения жидкости при нагревании ее объем увеличивается и, следовательно, увели­чивается столб жидкости, что приводит к неправильным показаниям прибо­ров. При таких замерах необходимо высоту столба жидкости приводить к 0 °С. Это приведение производится по формуле

где h— показания барометра (манометра), приведенные к 0 °С; h— высота столба жидкости, наблюдаемая при t °С; α объемный коэффициент расши­рения жидкости (для ртути α 0,000172).

В технике применяется достаточно большое число единиц измерения дав­ления. Соотношения между ними приведены в таблице [5].

Единица измерения Бар Паскаль, Па (Н/м 2 ) Физичес­кая атмос­фера, атм Техничес­кая атмос­фера, ат (кГ/см 2 ) Миллимет­ры ртутно­го столба, мм рт. ст. Миллимет­ры водяного столба, мм вод. ст.
1 бар 10 5 0,987 1,02
1 Н/м 2 10 -5
1 атм 1,013 1,033
1 ат 0,981 0,968 735,6
1 мм. рт. ст. 0,00133 0,001316 0,00136 13,6
1 мм. вод.ст. (1 кГ/м 2 ) 9,81 10 -5 9,81 9,68- 10 -5 10 -4 0,0736

Температура.Температура любого тела — величина, характеризу­ющая степень нагретости тела, и представляет собой меру интенсивно­сти «теплового движения» молекул. Таким образом, температура представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул, т. е. температура характери­зует среднюю интенсивность движения молекул, и чем больше 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 средней 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 температуры средних кинетических энергии молекул обоих тел не сравняются, т.е. не выровняются температуры обоих тел. Такое со­стояние двух тел называется тепловым равновесием

Другими словами если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмени­ться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано величиной средней кинетической энергии молекул вещества:

[8]

где k — постоянная Больцмана, равная 1,3800662-10 -23 Дж/К. Температура Т, определенная таким образом, называется абсолютной.

В РФ для измерения температур принята стоградусная шкала и абсолютная термодинамическая шкала Кельвина. В стоградусной шкале при Рбаром.= 760 мм. рт. ст., что в системе СИ равно 101 325 н/м 2 , за 0° принимается температура таяния льда, а за 100° тем­пература кипения воды. Градус этой шкалы обозначается через °С. Тер­мометры стоградусной шкалы имеют неравномерные деления, чем учи­тываются некоторые изменения в зависимости коэффициента расшире­ния жидкости от нагревания.

В отличие от стоградусной шкалы, применявшаяся ранее шкала Цельсия имела те же постоянные точки, соответствующие таянию льда при 0° и кипению воды при 100°, но равномерные деления.

В абсолютной термодинамической шкале Кельвина за нуль принято состояние тела, при котором тепловое движение молекул теоретически отсутствует. Из физики известно, что такое состояние наступает при температуре на 273° С (273,16°) ниже 0° С. Абсолютная температура всегда величина положительна.

Читайте также:  Давление во лбу и в шее

Величина градуса по шкале Кельвина принимается равной градусу по стоградусной шкале: 1° К= 1°С; следовательно, ΔT = Δ t.

Соотношение между температурой, измеренной по абсолютной и сто­градусной шкале:

К = 273° C; 0°С = + 273°К; Т° К = t° С + 273°; Т = 20 0 С = 253 0 К

Параметром состояния газа является абсолютная температура Т° К.

Абсолютная температура — величина всегда положительная. При темпера­туре абсолютного нуля (Т = 0 0 К = 273,15° С) прекращается тепловое движение молекул.

Источник

Параметры состояния

Параметр – это один из совокупности независимых физических величин, определяющих тепловое состояние системы (тела). Например, если системой является водяной пар, то для определения состояния этой системы используются параметры состояния: давление, объем, масса, температура и другие.

Параметры состояния всегда относятся к термодинамическим системам, которые находятся в термодинамическом равновесии. Термодинамическое равновесное состояние – это состояние термодинамической системы, характеризующееся при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствия в системе потоков.

Рис. 1.4. Неравновесное (а) и равновесное (б) состояние изолированной термодинамической системы.

Число параметров состояния, которое необходимо для однозначного определения равновесного состояния, зависит от вида термодинамической системы. Состояние простой системы (отсутствуют электрические, магнитные и др. эффекты) будет однозначно определено двумя, либо тремя параметрами состояния.

В технической термодинамике основными параметрами состояния являются термические параметры: абсолютное давление (р), температура (Т) и удельный объем ( v ).

Давление – сила, действующая нормально к площади.

где F – сила, действующая нормально к площади;

В международной системе единиц (СИ) имеет размерность p = 1Н/1м 2 = 1 Па. Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1н по нормали к поверхности в 1 м 2 .

Все технические приборы, измеряющие давление, показывают избыточное давление Ризб. Избыточное давление – это разность между давлением в термодинамической системе (абсолютное давление) и внешним атмосферным давлением В. Термодинамика оперирует только с абсолютным давлением в термодинамической системе, которое равно

где Ризб – избыточное давление; B – атмосферное давление; Рабс – абсолютное давление; Рвак – величина вакуума (разряжения) формулы (1.2) используется при давлениях больше атмосферного, а формула (1.3) – при давлениях меньше атмосферного.

В технической термодинамике часто используют внесистемные единицы давления. Из них весьма распространена единица «физическая атмосфера» (атм)

1 атм = 1,01325·10 5 Па, техническая атмосфера (ат)

1 ат = 9·80665·10 4 Па и бара 1 бар = 1·10 5 Па.

Температура – одна из основных величин в технической термодинамике. Принцип измерения температуры основан на очевидном законе логики. Если два тела в отдельности находятся в тепловом равновесии с третьим телом, то все три тела находятся в тепловом равновесии, а значит имеют одинаковую температуру. Следовательно, по показанию термометра можно сравнить температуру разных тел.

Для измерения температуры используют технические приборы: термометры, термопары, термометры сопротивления и др. В каждом из этих приборов используется зависимость какого-либо физического свойства (коэффициента объемного расширения, удельного сопротивления, электродвижущей силы) от температуры. Определение температуры при помощи таких приборов зависит от индивидуальных свойств термодинамического вещества (чувствительного элемента термометра), так как одна и та же физическая величина имеет разную зависимость от температуры для различных материалов.

Читайте также:  Может ли сода нормализовать давление

Абсолютная температура (не зависит от свойств термометрического вещества) определяется с помощью идеального газового термометра, что следует из Второго закона термодинамики. Это впервые показал Кельвин и в его честь эта абсолютная (термодинамическая температура) была названа температурой Кельвина. Термодинамическая температура по Второму закону не может иметь отрицательных значений, а нулевая точка равна наинизшей термодинамически возможной температуре – абсолютному нулю.

Измерение термодинамической температуры газовым термометром сложно и дорого. Поэтому используют простой метод измерения температур, результаты которых по возможности приближались к значениям термодинамической температуры. Поэтому, кроме термодинамической шкалы температур существует молекулярная температурная шкала (МТШ-90).

Единицей измерения температуры в Международной системе единиц (СИ) является градус Кельвина – К, как по термодинамической шкале температур, так и по МТШ-90. Между температурой по термодинамической шкале, выраженной в градусах Кельвина и в градусах Цельсия имеется связь:

Т, К = t ˚ C + 273,15 (1.4)

Кроме МТШ-90 в ряде стран используют другие температурные шкалы – шкала Фаренгейта, шкала Реомюра, шкала Ренкина. Ниже приведены соотношения для пересчета значений температур из одних шкал в другие.

где ТК – термодинамическая температура по шкале Кельвина, К; t ˚ C – температура по шкале Цельсия, ˚ C ; t ˚ F – температура по шкале Фаренгейта, ˚ F ; t ˚ R – температура по шкале Реомюра, ˚ R ; t ˚ Ra – температура по шкале Ренкина, ˚ Ra .

Удельный объем , как температура и давление, являются термодинамическим параметром. Удельный объем ( v ) – величина, равная отношению объем V однородного тела к его массе:

Размерность удельного объема в Международной системе СИ (м 3 /кг). Эта величина обратно пропорциональна плотности ( ρ ). В термодинамике удобно рассматривать не плотность, а удельный объем, так как многие термодинамические системы имеют настоящую массу и тогда удельный объем пропорционален общему объему.

В термодинамике широко распространено понятие о количестве вещества « n ». Во времена Ньютона количество вещества отождествлялось с массой. В современной метрологии количеством вещества называется число атомов, молекул, ионов или, как говорят, число структурных элементов, из которых состоит вещество. Но число частиц тела макроскопических размеров велико ( N ≈ 10 25 ). Поэтому вводится величина пропорциональная числу частиц, которая получила название количества вещетсва.

где Na – универсальная газовая постоянная или число Авогадро. Количество вещества относится к категории основных в системе СИ и получила наименование моля при следующем определении: моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится в углероде-12 массой 0,012 кг. Из формулы (1.10) видно, что число Авогадро выражает число молекул или других частиц, содержащихся в одном моле вещества.

Масса вещества естественно будет пропорциональна количеству вещества n

где М – молярная масса вещества.

Подставляя в формулу значения количества вещества, получим:

Молярная масса вещества М пропорциональна относительной молекулярной массе данного вещества и может быть определена из соотношения:

где k – размерный коэффициент пропорциональности, зависящий от системы единиц и равный k = 10 -3 кг/моль (в системе СИ).

Относительная молекулярная масса Mr определяется по формуле:

где li – число атомов i -го элемента в молекуле, Ar , i – относительная атомная масса i -го элемента (безразмерная величина). Заметим, что значение молярной массы, выраженной г/моль или кг/кмоль, численно совпадает с относительной молекулярной массой.

Источник

Adblock
detector