Термодинамические параметры газа

Главной задачей термодинамики является превращение тепловой энергии рабочего тела (нагреваемого газа или пара) в механическую работу L.

Термодинамические параметры (давление p, температура T и удельный объём v) имеют большое значение при исследовании термодинамических процессов, а также, используются для того, чтобы оценить количество тепловой энергии, которой обладает рабочее тело (газ), и возможность превратить эту энергию (теплоту) в механическую работу.

В термодинамических расчётах используют только абсолютную температуру T (исключительно по шкале Кельвина) и абсолютное давление р_абс. В то время, как приборы измеряющие давление, показывают либо избыточное над атмосферным давление р_ман. (манометрическое). Соответственно измеряются манометром. Либо степень разрежения р_вак. (вакуумметрическое давление) по отношению к атмосферному - В_о. Соответсвенно, измеряются вакуумметром.

р_абс. = В_о + р_ман.

р_абс. = В_о - р_вак.

В термодинамике в расчётах используется исключительно температура измеренная в градусах Кельвина (К). Для перевода температуры из градусов Кельвина (К) в градусы Цельсия (^оС) применяется формула

Т (К) = t (^оС) + 273,15

Три основных параметра газа р, T, v связаны между собой зависимостью, открытой Клапейроном и названной, в его честь, уравнением Клапейрона. Это уравнение верно для 1 кг. идеального газа.

p_абс. v = R T

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кг*К). Если значение R не задано, оно вычисляется по формуле R = 8314/ m;

m – молекулярная масса газа, атомных единиц.

v – удельный объём, м³/кг.

Т – абсолютная температура газа, К.

Если масса газа отличается от 1 кг, тогда используется уравнение Клапейрона-Менделеева

p_абс. V = М R T

где V – полный объём (обозначается большой буквой V) занимаемый рабочим телом (газом), м³. (не путать с удельным объёмом v, измеряемым в м³/кг и обозначаемым маленькой буквой),

M – масса газа, кг.

Виды термодинамических процессов

Любой термодинамический процесс рассматривается как процесс (1-2) изменения параметров газа от начальной точки процесса (1) к конечной (2). Основной задачей расчётов термодинамических процессов является определение параметров газа p₂, T₂, v₂ (рабочего тела) в конце процесса, определение работы (L_1-2), подведённого количества теплоты (Q_1-2) и изменения внутренней энергии (D U_1-2) при протекании данного процесса.

Для расчёта параметров необходимо выбрать формулу рассчитываемого процесса и подставить уже известные параметры процесса.

Ниже, в таблице II.1 представлены основные формулы для расчётов параметров всех видов термодинамических процессов. Кроме этого, не следует забывать, что зная два основных параметра из трёх (р, v, T) по уравнению Клапейрона всегда можно вычислить недостающий.

Таблица II.1

Расчёт термодинамического цикла, состоящего из отдельных термодинамических процессов заключается в последовательном вычислении конечных параметров процесса, исходя из начальных, которые уже известны.

Расчёты термодинамических параметров

З а д а ч а № 4.3

Определить температуру кислорода Т, если известны его параметры р_абс. и v. Молекулярная масса кислорода m = 32,0.

Данные для решения взять из таблицы 4.1.

Таблица 4.1.

З а д а ч а № 4.4

Определить массу азота (N₂) в баллоне объёмом 50 л, если измерения показывают, что манометрическое давление равно р_ман., а температура внутри баллона t ^оС. Давление окружающей среды В_о принять равным 101300 Па. Молекулярная масса азота m = 28,0.

Данные для решения взять из таблицы 4.2.

Таблица 4.2.

З а д а ч а № 4.5

Определить температуру в ^оС, при которой произойдёт взрыв баллона, если известно, что он рассчитан на предельное давление р_ман. Все остальные условия взять из предыдущей задачи Вашего варианта.

Данные для решения взять из таблицы 4.3.

Таблица 4.3.