Идеальные и реальные газы

Раздел 1. «Термодинамика»

Тема 1.1 «Основные законы идеальных газов»

Занятие №1. «Основные понятия и определения. Основные параметры газов»

Термодинамика представляет собой науку о взаимных превращениях различных видов энергии. Она не рассматривает вопросов, связанных с микрофизическим механизмом изучаемых явлений. Основу термодинамики составляют фундаментальные законы природы. Они называются законами или началами термодинамики. Благодаря высокой достоверности и независимости этих законов от свойств конкретных тел термодинамика успешно решает разнообразные задачи технического характера. На основе термодинамики разрабатывают новые и совершенствуют существующие тепловые машины и установки и создают высокоэффективные технологии, обеспечивающие экономнее расходование энергетических и материальных ресурсов. Совокупность инженерных приложений термодинамики образует се раздел, называемый технической термодинамикой.

Идеальные и реальные газы.

Под идеальными понимают такие газы, в которых отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, а сами молекулы принимаются за материальные точки, равномерно распределенные и не имеющие объема.

В природе идеальных газов нет. Однако часто встречаются такие реальные газы, н которых силы взаимодействия между молекулами и объемы самих молекул чрезвычайно малы. Такие газы принимают за идеальные.

Наиболее распространенными газами, применяемыми в технике, и которые в теплотехнических расчетах вполне допустимо считать идеальными, являются: кислород, водород, азот, окись углерода, углекислый газ, метан и практически все реальные газы, за исключением водяного пара, можно считать идеальными. Но если водяной пар перегрет и является частью газовых смесей, то его парциальное давление маю, а температура велика. В этом случае он далек от состояния жидкости. Такой пар можно считать идеальным.

В реальных газах в отличие от идеальных существенны силы меж молекулярных взаимодействий, и пренебрегать объемом молекул нельзя. В таких газах молекулы могут сближаться между собой только до некоторого минимального расстояния, гак как между молекулами возникают силы отталкивания. Поэтому можно считать, что свободный для движения удельный объем будет равен v — b, где b — тот наименьший удельный объем, до которого можно сжать газ, а v — удельный объем сосуда. В соответствии с этим длина свободного пробега молекул уменьшается, и давление увеличивается по сравнению с идеальным газом в отношении

Основными параметрами газов считают: удельный объем о, абсолютное давление р и абсолютную температуру Т.

Переход рабочего тела из одного состояния в другое под влиянием внешних воздействий называют термодинамическим процессом.

Удельный объем v, м³/кг, представляет собой объем единицы массы вещества:

где V — объем, занимаемый веществом, м³; М — масса вещества, кг.

Плотностью ρ, кг/м³, называется величина, обратная удельному объему v:

Тогда

Температура характеризует степень нагретости тела. Это мера средней кинетической энергии тела. Чем больше средняя скорость движения молекул, тем больше температура газа.

Температуру измеряют в двух шкалах: в градусах шкалы Цельсия (°С) и в градусах шкалы Кельвина (К).

В качестве точки отсчета на шкале Цельсия берется так называемая тройная точка состояния воды, для которой характерно существование трех фаз вещества (вода, пар и лёд), находящихся в термодинамическом равновесии. Тройной точке воды соответствует температура 273 К или О °С.

На шкале Кельвина точкой отсчета является температура абсолютного нуля (О К), при которой прекращается тепловое движение молекул.

Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и Цельсия, существует зависимость

Давление р с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат уларов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенки сосуда, н котором находится газ. Значение давления определяется по следующей формуле:

где Р — нормальная составляющая силы, Н; F — площадь поверхности, перпендикулярная к действующей силе, м².

В системе СИ за единицу давления принят Паскаль (Па), 1 Па — 1 Н/м². Существуют и внесистемные единицы давления: 1 бар = 1 атм = 10⁵ Па = 760 мм рт. ст. = 10 200 мм вод. ст.

Давление бывает: абсолютное, манометрическое, атмосферное, или барометрическое, и вакуумметричсское. Эти давления связаны следующими выражениями:

где р _абс — абсолютное давление; р _ман — манометрическое давление; р _бар = р _атм — барометрическое или атмосферное давление; р _вак ^— вакуумметрическое давление.