Материал: Техническая термодинамика. Практические и лабораторные работы. Дубанин В.Ю., Наумов А.М

1.ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

1.1.Основные понятия и законы идеальных газов

Любое термодинамическое исследование начинается с выделения ограниченной области пространства, Содержимое этой области называется термодинамической системой.

Все, что находится вне системы, является внешней (или окружающей) средой. Система отделяется от внешней среды материальной или воображаемой ограничивающей поверхностью – границей системы.

Установление границ между системой и ее внешней средой является лишь необходимым элементом описания системы. Кроме того, система описывается рядом переменных, т.е. физических величин, характеризующих ее свойства. Если переменные принимают устойчивые значения, то говорят, что система находится в определенном состоянии. Таким образом, понятие "состояние" характеризуется с помощью переменных системы, которые и называют ее параметрами состояния.

Наиболее удобными и поэтому наиболее распространенными параметрами состояния являются абсолютная температура – Т, абсолютное давление – Р и удельный объем (или плотность) тела – . Температура характеризует тепловое состояние тела. Измерение температуры производится чаще всего с помощью термометров. Абсолютная температура в этом случае определяется из выражения

T t 273,15,

где t – температура по шкале Цельсия, С.

Абсолютное давление представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности. Для измерения давления применяются различные единицы, соотношения между которыми приведены в табл. 1.1.

5

Таблица 1.1 Соотношение между различными единицами измерения

давления

Объем, занимаемый единицей массы системы, называется удельным объемом v, м3/кг и определяется по формуле

v V . m

Удельный объем – величина, обратная плотности. При термодинамических исследованиях очень широко применяют законы идеального газа:

-Бойля-Мариотта pV=const (при Т=const);

-Гей-Люссака V const (при P=const); T

-Шарля P const (при V=const); T

-Авогадро v=const (при одинаковых давлениях и температурах произведение v для всех газов одинаково),

где - молекулярная масса выражения в молях или киломолях (молем называется количество вещества в граммах, численно равное его молекулярной массе). Объем 1 киломоля газа при нормальных физических условиях (Т=273 К, Р=101325 Па) составляет 22,4 л.

6

Для любого состояния газа с параметрами Р, Т, V, подчиняющегося законам Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, можно установить, что

PV R const ,

T

где R – газовая постоянная.

Мы получили уравнение, однозначно связывающее между собой параметры Р, V и Т газа, т.е. уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева).

Уравнение состояния идеального газа может быть представлено в следующих видах:

где R=8314 Дж/(кмоль К) – универсальная газовая постоянная.

Таким образом, представление об идеальном газе основано на том, что идеальный газа строго подчиняется уравнению Клапейрона-Менделеева; идеальный газ – это предельное состояние реального газа при плотности близкой к нулю; идеальный газ – это газ, молекулы которого рассматриваются как материальные точки, взаимодействие которых между собой ограничено абсолютно упругими соударениями (силами молекулярного сцепления пренебрегаем).

Уравнение состояния реального газа чаще всего описывают уравнением Ван-дер-Ваальса

где a - величина, учитывающая силы взаимодействия между v2

молекулами;

7

b – величина, учитывающая объем молекул в объеме газа.

Газовые смеси

По закону Дальтона давление смеси газов равно сумме парциальных давлений.

n

P P1 P2 ... Pn Pi .

i 1

Смесь может задаваться массовыми долями g, а масса смеси определяется свойством аддитивности, т.е. масса смеси определяется по формуле

Смесь может задаваться объемными долями r, а объем смеси определяется свойством аддитивности, т.е. объем смеси определяется по формуле

Кажущаяся молекулярная масса смеси определяется по формуле

r1 1 r2 2 ... rn n .

Газовая постоянная смеси определяется по формуле

r1 1 r2 2 ... rn n

8

R g1R1 g2R2 ... gnRn .

Парциальное давление определяется по формуле

Pi gi Ri P gi P.

R i

Теплоемкость

Теплоемкостью тела называется количество тепла, необходимое для нагрева тела на один градус. При изучении термодинамических процессов применяют несколько видов теплоемкости:

С – массовая теплоемкость, Дж/(кг С); Соб= с – объемная теплоемкость, Дж/(м3 С); сm= c – мольная теплоемкость, Дж/(моль С); сv – изохорная теплоемкость, Дж/(кг С);

ср – изобарная теплоемкость, Дж/(кг С);

cи dq - истинная теплоемкость, Дж/(кг С); dT

где t1 – начальная температура; t2 – конечная температура;

q1-2 – тепло, подведенное к 1 кг вещества в процессе нагрева от температуры t1 до температуры t2.

Для идеальных газов между изобарной и изохорной теплоемкостями и газовой постоянной установлены следующие соотношения