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 F_н — 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 (Р_абс), а разность между абсолютным и атмосфер­ным (барометрическим) давлением Р_атм.

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.

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].

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 Р_баром.= 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.

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:

0°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 Р_изб. 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 Р_изб – избыточное давление; B – атмосферное давление; Р_абс – абсолютное давление; Р_вак – 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.

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 l_i – число атомов i -го элемента в молекуле, A_{r , 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