Теплотехника (стр. 2 )

Преобразование теплоты в механическую работу происходит с помощью рабочего тела. Наиболее эффективными рабочими телами будут те, которые обладают резко выраженными упругими свойствами, позволяющими в значительной мере деформироваться (изменять свой объем) под влиянием механических сил (давления) или, термических воздействий (тепла, температуры), или, проще говоря, под влиянием комбинированных термомеханических воз­действий.

Наблюдая за поведением тел в природе, в их различных агре­гатных состояниях, можно заметить, что наиболее целесообразными рабочими телами для использования их в различных тепловых устройствах являются газы или пары. Именно они наиболее полно могут быть использованы в процессах преобразования теплоты в механическую работу, так как газы и пары, с одной стороны, легко деформируемы (легко сжимаются, расширяются) под влиянием внешних сил, а с другой стороны, им же свойственны значитель­ные (сравнительно с другими агрегатными состояниями тел) по величине коэффициенты объемного расширения. Оказывая направ­ленное термическое (нагрев, охлаждение) либо механическое (сжа­тие, расширение), либо комбинированное термомеханическое воз­действие на рабочее тело, можно заставить последнее непрерывно менять свои параметры состояния.

Физические величины, характеризующие макроскопическое со­стояние тел, называются параметрами состояния. Величины, определяемые однозначным заданием этих параметров, называются функциями состояния. Совокупность таких непрерывно меняю­щихся состояний рабочего тела называют термодинамическим процессом.

3. Параметры состояния рабочего тела.

Основными параметрами состояния рабочего тела (газа или пара) являются: давление (р), температура (t, Т) и удельный объем (v). Предварительно отметим, что плотностью вещества с называют массу (кг) единицы объема (м3) его. Так, если масса объема V какого-либо газа равна G, то 

    , кг/м3  (1)

Давление р означает силу, приходящуюся на единицу площади, и определяется формулой

, Па  (2)

где N - сила, нормальная к поверхности и равномерно распреде­ленная  по  площади, Н;

  F – площадь, м2.

Давление измеряется в кГ/см2, кГ/м2, Н/м2, а иногда в метрах или миллиметрах столба жидкости (воды, ртути, спирта).

В термодинамике давление рабочего тела иногда измеряют в физических или технических атмосферах.

Абсолютное или истинное давление определяется суммой избыточного и барометрического давлений (рис.1):

  (3а)

Если в сосуде давление ниже атмосферного, то имеет место разряжение. Разность между барометрическим и абсолютным давлением называется вакуумом, или разряжением, т. е.

  (3б)

Рисунок 1- К определению абсолютного давления

Размер- ность Наимено-вание	кгс/см2	кгс/м2	мм. рт. ст.	м. рт. ст.	мм. вод. ст.	м. вод. ст.
1 физ. атм-ра	1,033	1,03·10	760	0,76	1,03·10	10,3
1 техн. атм-ра	1,0	1·10	735,6	0,735	1·10	10
1 бар	1,02	1,02·10	750	0,75	1,02·10	10,2

Давление окружающей среды, например, атмосферного воздуха, фиксируется, как известно, прибором барометром и называется барометрическим.

Давление выше барометрического измеряется манометром и называется  избыточным, или  манометрическим.

Давление ниже барометрического (вакуум, или разрежение) измеряется  вакуумметрами  или  тягомерами.

Если показание ртутного барометра при температуре t°С равно , то приведение этого показания к нулю можно производить по формуле

  (4)

С увеличением высоты Н в пределах тропосферы  (до 11 000 м) барометрическое давление  снижается  по  закону

,  (5)

где - барометрическое давление на высоте Н при 0°С;

  Н - высота над уровнем моря, м.

Замеряя давление газа в емкости по манометру, узнаем, насколько истинное давление в емкости пре­вышает давление окружающей среды. Поэтому, чтобы отыскать истинное или абсолютное давление газа в емкости, следует всегда к показанию манометра прибавить давление окружающей среды (т. е.  прибавить величину барометрического давления рб)

Температура - мера нагретости тела, характеризую­щая его тепловое состояние. Однако хорошо всем известное ка­чественно воспринимаемое ощущение температуры количественно (физически) определяется сложно. Измерение температуры осно­вано на следующем факте если два тела, взятых порознь, находятся в термическом равновесии при соприкосновении с третьим  телом, то все три тела имеют одну и ту же температуру. В основу  прибора, измеряющего температуру (термометра), положено явление расширения тел при нагревании. С тем же успехом можно воспользоваться другими свойствами, например э. д. с. термо­пары, электросопротивлением материалов, радиацией и пр. Все эти способы измерения температуры не позволяют, однако, опре­делить ее как некоторую величину, не зависящую от свойств термо­метрического  вещества,

В 1721 г. голландцем Фаренгейтом был предложен термометр, в котором за 0° принята температура смеси равных частей льда и нашатыря. В этой шкале температура таяния льда равна +32°F, а температура кипения химически чистой воды равна -212°F. Этот термометр имеет распространение главным образом в странах США,  Канаде и др.

Шкала Реомюра (°R) имеет следующие базисные (реперные) точки температуры: 0° - соответствует температуре таяния льда, +80° - соответствует температуре кипения воды при нормаль­ном атмосферном давлении. Реперными точками стоградусной шкалы Цельсия(°С) соответственно являются: 0°С - температура таяния льда и + 100°С - температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. На рис. 3 приведены указанные шка­лы. Связь между ними устанавливается следующими формулами:

;  (6)

;  (7)

;  (8)

Основной  единицей  измерения  температуры  является  градус, цена деления которого разная в различных шкалах.

Решением  XI  Генеральной  конференции  по  мерам  и  весам (1960 г.)  и  ГОСТ  8550 - 61  предусматривается  применение двух температурных шкал: термодинамической и международной - практической. Единицей измерения температуры по термодинами­ческой шкале является Кельвин (К).  Кельвин впервые ввел  абсолютную  температуру  как  величину, не зависящую от свойств вещества. В основу термодинамической  шкалы темпера­тур положена одна экспериментальная постоянная величина - тройная точка воды, температура которой принята равной 273,15 К и которая  является точкой температурного равновесия для  всех трех  агрегатных состояний воды (лед, жидкость,  пар).  Значение температуры тройной точки воды в настоящее время определя­ется с очень высокой точностью в 0,0001°. Таким образом, градус Кельвина составляет 1/273,15 части интервала от абсолютного нуля температуры до температуры тройной точки.

, К

(9)

, оС.

Молекулярно-кинетичеекая теория га­зов позволяет оценивать температуру как  меру кинетической энергии движения молекул тела, или, иначе говоря, как функцию скорости движения их.

В Украине принята стоградусная шкала температур, по существу совпадающая  со  шкалой  Цельсия.

Удельным  объемом  вещества называют объём единицы массы (кг) его т. е.

  м3/кг  (10)

Нетрудно заметить, что

.  (11)

Нормальные физические условия: давление равно 1 атм (р0=760 мм рт. ст., или 101  325 Н/м2),  а температура  t0 = 0 °С.

Нормальные технические условия соответствуют давлению в 1 aт. (р0 = 735,6 мм рт. ст., или 980 665 Н/м2) и t0 = 15°С.