Понятие об идеальном газе. Уравнение состояния

ЛЕКЦИЯ 1

ТЕРМОДИНАМИКА

Основные понятия: термодинамическая система, параметры состояния, газовые смеси, внутренняя энергия. Равновесное состояние.

Уравнение состояния, Идеальный газ. Термодинамический процесс. Теплота и работа.

Основные понятия

Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несоизмеримо больше размеров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химическую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Она является основой теории двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами.

Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей системы – газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями служат стенки цилиндра и поршень.

Механическое и тепловое взаимодействия термодинамической системы осуществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. Тепловое взаимодействие заключается в обмене неупорядоченным хаотическим движением микрочастиц отдельными телами системы и между системой и окружающей средой.

Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют теплоизолированной или адиабатной. Примером адиабатной системы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляционную оболочку называют адиабатной. Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни веществом, называется изолированной.

Термодинамическая система, осуществляющая взаимное превращение теплоты и работу, является рабочим телом. В двигателе внутреннего сгорания рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина, сам факел и газообразные продукты сгорания топлива. Свойства рабочего тела зависят от его состояния. Состояние рабочего тела определяется рядом термодинамических параметров, основными из которых являются объем, давление и температура.

Объем – это величина, определяющая величину пространства, занимаемого системой или отдельной частью системы.

Различают объем (полный) рабочего тела (V, м³), удельный объем (v, м³/кг) – объем единицы массы газа рабочего тела:

v = V/М,

где М – масса газа, кг.

Молярный объем (v ^мол, м³/моль) – это объем приходящийся на один моль газа.

Величину, обратную удельному объему, называют плотностью. Плотность (ρ, кг/м³) есть масса единицы объема:

ρ = М / V.

Давление (p, Н/м², Па) есть сила суммарного воздействия частиц рабочего тела, приходящаяся на единицу ограничивающей поверхности:

p=P/F,

где Р – сила, Н; F – поверхность, м².

Различают абсолютное и избыточное давления. Под абсолютным давлением понимают действительное давление системы внутри оболочки, а под избыточным – разность между абсолютным и барометрическим давлением.

Используемая в системе СИ единица давления Паскаль (Па) соответствует 0, 75· 10^-5 мм рт. ст. при температуре ртути 0°С.

Параметром состояния является именно абсолютное давление. Оно входит во все термодинамические уравнения. (Отнюдь не избыточное!).

Температура характеризует интенсивность теплового движения микрочастиц системы (степень нагретости рабочего тела). Температуру измеряют или по международной стоградусной шкале – шкале Цельсия с обозначением t, °C, или по абсолютной шкале Кельвина с обозначением Т (К).

Соотношение между температурой в Кельвинах (Т, К) и в градусах Цельсия (t, °C) по обеим шкалам следующее:

T = t + 273.

Именно абсолютная температура является параметром состояния.

Для сравнения величин, характеризующих системы, их приводят к одинаковому состоянию, для чего вводится понятие «нормальные физические условия»: р = 760 мм рт. ст. = 101, 325 кПа, t = 273, 15 К.

При испытаниях поршневых ДВС используется понятие «стандартные условия», которым соответствуют абсолютное давление 750 мм рт. ст. и температура 25 °С.

Понятие об идеальном газе. Уравнение состояния

Для описания свойств рабочего тела в технической термодинамике вводят понятие идеального газа. Под идеальным газом, согласно молекулярно-кинетической теории, понимают такой газ, у которого отсутствуют силы сцепления между молекулами, а молекулы представляют собой материальные точки, объем которых бесконечно мал по сравнению с объемом, занимаемым газом. Реальный газ отличается от идеального тем, что у него молекулы имеют конечный объем и между ними действуют силы сцепления. Реальные газы при сравнительно небольших давлениях разрежены и близки по свойствам к идеальным.

Газообразные продукты сгорания топлива, являющиеся рабочим телом в ДВС, допустимо считать идеальными газами.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным.

Если между различными точками в системе существуют разности температур, давлений и других параметров, то она является неравновесной. В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы.

Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением состояния. Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление простейших систем, которыми являются газы, пары или жидкости, связаны термическим уравнением состояния вида f (p, V, Т) = 0.

Для расчетов состояния рабочего тела в ДВС удобно использовать уравнение состояния, преобразованное следующим образом:

pV = (М / μ) RT

или

pV = n RT,

где n – количество кмолей газа, М – масса газа (кг), μ – молярная масса газа (кг), R = μ R ₀ = 8314 Дж/(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная, Т – температура газа (К).