Идеальный газ. Наиболее распространёнными веществами, используемыми в тепловых двигателях в качестве рабочих тел, являются атмосферный воздух и вода

Наиболее распространёнными веществами, используемыми в тепловых двигателях в качестве рабочих тел, являются атмосферный воздух и вода. Это связано, во-первых, с их большой распространённостью в природе и, во-вторых, с их относительно малой агрессивностью по отношению к конструкционным материалам. Этим объясняется большое количество опытных данных по теплофизическим свойствам воздуха и воды.

Результаты опытных данных по свойствам воздуха и других газов при условиях, близких к атмосферным, были обобщены в виде газовых законов, носящих имена учёных, внесших наибольший вклад в эти исследования: законы Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля и Авогадро.

Газовые законы позволяют записать термическое уравнение состояния для газов в виде объединённого закона газового состояния ( вусловиях, близких к атмосферным)

(1.13)

Гипотетический газ, в точности подчиняющийся термическому уравнению состояния (1.13), называется идеальным. Это есть термодинамическое определение идеального газа. С молекулярно-кинетической точки зрения идеальным газом называется совокупность большого числа (порядка числа Авогадро) хаотически движущихся не взаимодействующих между собой материальных точек.

Постоянная в уравнении состояния идеального газа (1.13) может быть найдена с использованием закона Авогадро. В самом деле, если это уравнение справедливо для любого состояния идеального газа, значит, оно справедливо и для состояния при нормальных физических условиях (НФУ). За НФУ принимаются стандартные значения давления и температуры, близкие к обычным атмосферным условиям в средних широтах северного полушария:

НФУ:

Таким образом, можно написать

(1.14)

Объём данной массы газа M может быть выражен через его мольный объём

где есть молекулярная (молярная) масса газа, а – число киломолей газа. Подставляя объём V ₀ в (1.41), получаем

(1.15)

Комплекс

(1.16)

называется универсальной газовой постоянной. Таким образом, для идеального газа термическое уравнение состояния принимает вид

(1.17)

Это уравнение носит название уравнения Менделеева - Клапейрона и широко используется в физике и технике. Отношение

(1.18)

называется газовой постоянной для данного газа. С использованием этой величины термическое уравнение состояния записывается в виде

. (1.19)

Уравнение состояния удобно записывать для одного килограмма газа, используя понятие удельного объёма

. (1.20)

В этом случае уравнение состояния имеет вид

(1.21)

или

(1.22)

где – плотность газа.