Объясните понятие «рабочее тело». Какие вещества в качестве его используются, какими параметрами характеризуются

Термодинамика изучает законы взаимных превращений различных видов энергии, связанных с обменом энергией между телами, чаще всего в форме теплоты и работы. Классическая термодинамика не интересуется поведением и свойствами отдельных молекул, объектом исследования являются макроскопические тела, состоящие из большого числа материальных частиц — атомов, молекул, и т. д.

Под термодинамической системой понимают совокупность тел, которые могут обмениваться между собой и с окружающей средой энергией и массой.

Процессы преобразования энергии в различных тепловых машинах осуществляется с помощью вещества, называемого рабочим телом. В качестве рабочих тел могут выступать вещества в жидком, газообразном и твердом состояниях. Они являются «посредниками» в процессе обмена энергией между системой и окружающей средой. Так, например, нагреваемый газ расширяется и совершает механическую работу. В результате происходит преобразование тепловой энергии в механическую.

Рабочее тело характеризуют различные параметры состояния — давление, объем, температура, внутренняя энергия, энтальпия, т.д. В качестве основных параметров состояния принимают: удельный объём, абсолютное давление и абсолютную температуру.

Удельным объёмом называется объём единицы массы вещества:

м³/кг.

Масса единицы объёма, т. е. величина обратная удельному объему, называется плотностью:

кг/м³.

Очевидно соотношение: .

Абсолютным давлением называется давление газа, обусловленное совокупностью ударов беспорядочно движущихся молекул о стенки сосуда, в котором заключен газ, и представляет собой нормальную силу F, действующую на единицу площади, А поверхности стенки:

кг/м² = Па.

В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па).

Для измерения давления используют приборы: атмосферного — барометры, выше атмосферного — манометры, ниже атмосферного — вакуумметры. Барометр — единственный прибор, измеряющий абсолютное давление атмосферы (р_атм). Давление, которое регистрирует манометр или вакуумметр, называют избыточным (р_изб). Оно не является параметром состояния рабочего тела, а лишь показывает на сколько давление в сосуде выше или ниже атмосферного. Действительное давление (р) в сосуде (абсолютное) является параметром состояния и равно сумме:

.

Давление на шкале вакуумметра обычно указывают со знаком минус.

Величина, характеризующая степень нагретости тела, называется температурой.

Степень нагретости тел связана со среднеквадратичной скоростью движения молекул выражением:

.

где m = масса молекулы,.

k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура.

Абсолютная температура измеряется в кельвинах (К) и всегда положительна. Абсолютный нуль — это температура, при которой прекращается тепловое движение молекул, т. е. начало отсчета температуры по шкале Кельвина. Температура по шкале Кельвина связана с температурой по шкале Цельсия соотношением:

.

В шкалах Кельвина и Цельсия различно лишь начало отсчета, а линейные размеры, соответствующие одному градусу, одинаковы. Поэтому разность температур в 1 ^оС равна 1 К.

В технике для измерения температур используют различные свойства тел: расширение при нагревании в жидкостных термометрах, изменение давления при постоянном объеме в газовых термометрах, изменение электрического сопротивления проводника при нагревании, изменение термо ЭДС в цепи термопары и т. д.