Рабочее тело и параметры его состояния

Термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии, которая изучает возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Она является основой теории двигателей внутреннего сгорания. Всякая тепловая машина приводится в действие вследствие происходящего в ней изменения состояния вещества, называемого рабочим телом. Рабочее тело определяет тип и назначение тепловой машины. Наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пар, обладающие наибольшим коэффициентом объёмного расширения.

Физическое состояние рабочего тела характеризуется величинами, которые называют термодинамическими параметрами состояния.

К параметрам состояния относятся:

- температура;

- давление;

- удельный объём;

- внутренняя энергия и др.

Температура, давление, удельный объём – основные параметры газообразных веществ.

Температура газа служит мерой кинетической энергии поступательного движения молекул газа и характеризует степень его нагрева.

В настоящее время в мире существует несколько температурных шкал и единиц измерения температуры. Наиболее распространённая в Европе шкала Цельсия, где нулевая температура это температура замерзания воды при атмосферном давлении, а температура кипения воды при атмосферном давлении принята за 100 градусов Цельсия (⁰ С). В Северной Америке используется шкала Фаренгейта.

Для термодинамических расчётов очень удобна абсолютная шкала или шкала Кельвина. За ноль в этой шкале принята температура абсолютного нуля, при этой температуре прекращается всякое тепловое движение в веществе. Численно один градус шкалы Кельвина равен одному градусу шкалы Цельсия. Температура, выраженная по абсолютной шкале, называется абсолютной температурой. Соотношение для перехода от градусов Цельсия к градусам Кельвина:

Т (К) = t(⁰ С) + 273,15, где: Т – температура в Кельвинах; t–температура по шкале Цельсия.

Давление газа обуславливается совокупностью ударов беспорядочно движущихся молекул о стенки сосуда, в котором заключён газ, и представляет собой силу, действующую на единицу поверхности стенки:

р= , где Р – сила, Н; а – площадь поверхности, м². За единицу давления в международной системе единиц (СИ) принят Паскаль (Па) - давление, вызываемое силой 1Н, равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности площадью 1м².

1 Па = 1Н/м² = 10^-3 кПа = 10^-6 мПа. Используют также и другие единицы - 1 кгс/м² = 9,81 Па, техническую атмосферу (1 атм = 1 кгс/см²) и бар (1 бар = 10⁵ Па = 1,02 атм). Различают давление:

- абсолютное;

- избыточное;

- вакуумметрическое.

На практике за начало отсчёта обычно принимают атмосферное давление. Абсолютным давлением называется давление газов и жидкостей в закрытых объёмах. Если абсолютное давление больше атмосферного, то разность между ними характеризует избыточное давление.

р_абс = р_атм + р_изб.

Если абсолютное давление меньше атмосферного, то разность между ними называется разряжением, или вакуумом.

р_абс = р_атм – р_вак.

Формулы показывают, что при неизменном состоянии газа в сосуде постоянным остаётся лишь значение р_абс, значения р_изб, р_вак изменяются при изменении атмосферного р_атм. Поэтому параметром состояния газа служит только абсолютное давление, которое и входит во все термодинамические зависимости.

Удельный объём вещества (м³/кг) – это величина, равная отношению его объёма к его массе:

υ , где m – масса вещества; V–объём вещества.

Плотность (кг/м³) есть масса единицы объёма, обратная удельному объёму:

ρ .

При изучении свойств рабочего тела в технической термодинамике вводят понятие идеального газа, в котором силами взаимодействия между молекулами пренебрегают и рассматривают молекулы как абсолютно упругие частицы, объём которых мал по сравнению с объёмом газа. В технике в качестве рабочих тел применяют реальные газы и их смеси.