Какими основными параметрами характеризуется состояние рабочего тела? Напишите уравнение состояния и укажите размерности входящих в него величин СИ.

Величины, которые характеризуют физическое состояние тела называются термодинамическими параметрами состояния. Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно однозначно определить 3-мя параметрами – удельным объемом (υ), температурой (Т), давлением (Р).

Если изменить термодинамическое состояние системы, т. е. подвести или отнять тепло, сжать газ или дать возможность ему рас­шириться, то все параметры рассматриваемой системы изменят свою величину.

 Давление равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела. Когда говорят о давлении газа или пара, под силой понимают суммарную силу ударов молекул этого газа или пара, направленную перпендикулярно к стенкам сосуда. Подавляющее боль­шинство приборов для определения давления измеряет разницу между давлением среды (иногда называемым полным, или абсолютным давлением) р иатмосферным (барометрическим) В. Если измеряемое давление выше атмосферного, такой прибор называется манометром, а измеряемое давление — избыточным

                                          Ризб. = Р - В.

В этом случае полное (абсолютное) давление, явля­ющееся параметром состояния,

                                         Р= Ризб. + В.

Если измеряемое давление ниже атмосферного, та­кой прибор называется вакуумметром, а измеряемое давление — вакуумметрическим (или вакуумом).

                                        Рвак = В - Р.

В этом случае полное (абсолютное) давление

                                      Р = В – Рвак.

Температура — это мера нагретости тела. Если теплота переходит от одного тела к другому, это значит, что температура первого тела Т₁ больше темпера­туры второго тела Т₂. Если же теплообмен между те­лами отсутствует, температуры одинаковы T ₂ = T ₁ .

Удельный объем — это отношение полного объема вещества V к его массе m .                       

                                       v = .

Плотность — это отношение массы вещества к его объему.

                                        .

То есть плотность является величиной, обратной удель­ному объему.

                                        .

Зная удельный объем (или плотность), можно най­ти объем вещества по известной массе

                                 V = m _* v , V = ,

или массу вещества по известному объему

                                 m = V / v , m = V r .

Величины, характеризующие термодинамическое состояние газа, давление р, удельный объем v и температура Т зависят друг от друга. Если, например, газ определенной температуры занимает какой-то определенный объем, то он будет находиться под некоторым дав­лением. Изменение объема или температуры изменит давление газа.

Таким образом, из трех величин р, v и Т две могут быть заданы произвольно, а третья определится как функция первых двух.

Зависимость, связывающую между собой давление, объем и тем­пературу газа, называют уравнением состояния данного газа. Это уравнение выражает основное соотношение, характеризующее термодинамические свойства газа.

Для идеального газа уравнение состояния имеет простой вид

                             ,

т. е. отношение произведения абсолютного давления газа на его объем к абсолютной температуре остается постоянным. Для 1 кг газаэту постоянную величину называют газовой постоянной и обозначают буквой R :

                                    ,                  (1-1)

или

                                    ,                (1-2)

Уравнение состояния (1-2) часто называют уравнением Клапей­рона, по имени ученого, предложившего это уравнение.

Зная два параметра газа, по уравнению (1-1) можно легко найти третий, так как R является величиной, постоянной для каждого газа. Для температурных пределов, которые обычно применяют в тех­нике, газовые постоянные подсчитаны для большинства газов и сведены в таблицы.

 Газовая постоянная R представляет работу 1 кг газа в процессе при постоянном давлении и при изменении температуры на 1 градус.
 Для произвольного количества газа массой m уравнение состояния будет:

                               ,                  (1-3)

В 1874 г. Д.И.Менделеев основываясь на законе Дальтона ("В равных объемах разных идеальных газов, находящихся при одинаковых температурах и давлениях, содержится одинаковое количество молекул") предложил универсальное уравнение состояния для 1 кг газа, которую называют уравнением Клапейрона-Менделеева:

Р·υ = R_μ·Т/μ ,                        (1-4)

где: μ - молярная (молекулярная) масса газа, (кг/кмоль);

R_μ = 8314,20 Дж/кмоль (8,3142 кДж/кмоль) - универсальная газовая постоянная и представляет работу 1 кмоль идеального газа в процессе при постоянном давлении и при изменении температуры на 1 градус.
Зная R_μ можно найти газовую постоянную R = R_μ/μ.
Для произвольной массы газа уравнение Клапейрона-Менделеева будет иметь вид: 

                       Р·V = m·Rμ·Т/μ ,                       (1-5)

Измерение или расчет каких-либо характеристик рабочего тела относятся к количественной оценке величины этих характеристик по сравнению с эталоном самой величины. Подобные эталоны приняты в международной практике при введении стандартов на сами характеристики и их эталоны. В настоящее время действует, как обязательный, международный стандарт (SI) или Российский (СИ), утвержденный в 1980 году как обязательный для всех отраслей науки и техники.

Из основных единиц системы СИ в теплотехнике применяют: единицу длины — метр (м), массы —кило­грамм (кг), времени — секунда (с) и температуры — Кельвин (К), из которых можно получить единицу пло­щади (м²), объема (м³), удельного объема (м³/кг), плотности (кг/м³), скорости (м/с), ускорения (м/с²). Силу измеряют в ньютонах (1Н=1 кг_*м/с²), давление в паскалях (1 Па = 1 Н/м²), энергию в джоулях (1 Дж = 1 Н_*м), мощность в ваттах (1Вт=1 Дж/с).

Кроме того, используются приставки кило (к), мега (М), гига (Г), соответственно увеличивающие еди­ницы в тысячу, миллион и миллиард раз (например, 1 кг=1000 г; 1 МПа=10⁶ Па; 1 ГДж=10⁹ Дж), или

милли (м) и микро (мк), соответственно уменьшающие единицы в тысячу и миллион раз (например, 1 мм = 10^-3 м, 1 мкс = 10^-6 с).

 Единица давления паскаль очень мала и поэтому не всегда удобна, так как 1 Па меньше атмосферного давления примерно в 100 000 раз. Поэтому иногда ис­пользуют такие более крупные единицы, как бар и тех­ническая атмосфера: 1 бар = 10⁵ Па; 1 т. атм = 1 кгс/см² = 0,98 бар.

При измерении температуры кроме шкалы Кельви­на, предусмотренной системой СИ, допускается шкала Цельсия. Температуру, измеренную в Кельвинах (К), обозначают Т, а в градусах Цельсия (° С) — t : T = t + 273,15. Как видно из этой формулы, цена деления шкал Кельвина и Цельсия одинаковая, лишь начало отсчета сдвинуто на 273,15 градуса. Поэтому при изме­рении разности температур значения, выраженные в Кельвинах и градусах Цельсия, одинаковы Т₂-Т ₁= t ₂ - t ₁ .

Энергию в системе СИ измеряют в джоулях. Кроме того, в теплотехнике иногда используются килокалория (обычно для измерения теплоты) и киловатт-час (для измерения электроэнергии): 1ккал = 4,19 кДж; 1 кВт_*ч = 3600 кДж.

Необходимо помнить, что единицы, названные в честь ученых, пишутся с прописной буквы, а все ос­тальные — со строчной.