1.5. Энтальпия

Под энтальпией или теплосодержанием газа понимается сумма внутренней энергии газа и произведение давления на объем газа.

Н = U+pV (2)

Так как входящие в Н величины являются функциями состояния, то и энтальпия является функцией состояния. Соответственно размерность энтальпии Дж (кДж, МДж).

Величина h=u+pv называется удельной энтальпией, т.е. энтальпией системы, содержащей 1 кг вещества, и измеряют ее в Дж/кг.

Поскольку Н функция состояния, то она может быть функцией двух любых параметров состояния pv, Tv или pT, а величина dh является полным дифференциалом.

Физический смысл энтальпии заключается в следующем: рассмотрим ТС, включающую газ с давлением находящийся в цилиндре с поршнем площадью F, объемом V и грузом массой m. Энергия этой системы складывается из внутренней энергии U и потенциальной энергии газа, воздействующего на поршень с грузом.

Рис. 6. Иллюстрация понятия энтальпии

Если система находится в равновесии, то подставив в (1)

E=U+pF_y=U+pV, т.е. Е=Н

Энтальпия представляет собой энергию системы с расширяющимся газом.

Таким образом, когда единственным видом работы является работа расширения, с учетом, что d(pv)=pdv+vdp и pdv=d(pv)-vdp можно записать

dq=d(u+pv)-vdp

или

dq=dh-vdp

Из этого соотношения следует, что если давление системы сохраняется неизменным, т.е. осуществляется изобарный процесс dp=O, то dq=dh и q=h₂-h₁, т.е. теплота, подведенная к системе, при p=const идет только на изменение энтальпии данной системы.

Это выражение часто используется в расчетах, так как большое количество процессов подведения теплоты в теплоэнергетике (паровые котлы, КС газовых турбин, реактивных аппаратах, теплообменных аппаратах и т.д.)совершается при p=const. Поэтому часто в термодинамических таблицах приводятся значения энтальпии, а не внутренней энергии.

Для идеального газа

dh=du+d(pv)=C_vdT+RdT=(C_v+R)dT=C_pdT

1.6. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии для тепловых явлений(машин).Он утверждает, что энергия не уничтожается и не создается вновь, она лишь переходит из одной формы в другую в эквивалентных количествах.

Первый закон термодинамики используется для двух условий изменения состояния РТ: для закрытых и для открытых систем. Система считается закрытой, если РТ находится в замкнутом объеме и открытой, если тело движется в канале.

Полная энергия Е рабочего тела складывается из внутренней энергии, потенциальной энергии давления и кинетической энергии движения тела как целого.

(3)

Аналитическое выражение первого закона термодинамики для закрытой системы можно вывести на основе следующего примера. Предположим, что на РТ ТС объемом V и массой m имеющему температуру Т и давление сообщается извне бесконечно малое количество теплоты dQ. В результате подвода теплоты РТ нагревается на величину dT и увеличивается в соответствии с уравнением состояния объем на dV.

Кинетическая энергия частиц РТ увеличивается за счет повышения Т. С другой стороны, увеличение объема РТ приводит к изменению потенциальной энергии частиц. В результате изменения указанных энергий внутренняя энергия увеличивается на величину dU.

Поскольку ТС взаимодействует с окружающей средой, то при расширении РТ производит положительную механическую работу dL против сил давления окружающей среды.

В соответствии с законом сохранения энергии получим

dQ=dU+dL (4)

То есть теплота, подводимая к ТС из внешней среды, идет на повышение внутренней энергии и на совершение механической работы. Полученное выражение является математическим выражением первого закона термодинамики для термомеханических систем. Для удельных величин первого закона термодинамики представляется в виде

dq=du+dl