2.4 Энтальпия и энтропия идеального и реального газа. Ts-диаграмма.
2.4.1 Энтальпия
В термодинамике важную роль играет сумма внутренней энергии системы U и произведения давления системы р на ее объем V, называемая энтальпией и обозначаемая Н:
.
(2.24)
Так как входящие в нее величины являются функциями состояния, то и сама энтальпия является функцией состояния. Так же как внутренняя энергия, работа и теплота, она измеряется в джоулях (Дж).
Энтальпия обладает свойством аддитивности. Величина
(2.25)
называемая удельной энтальпией (h = H/M), представляет собой энтальпию системы, содержащей 1 кг вещества, и измеряется в Дж/кг.
Поскольку энтальпия есть функция состояния, то она может быть представлена в виде функции двух любых параметров состояния:
;
;
,
Величина dh является полным дифференциалом, т.к. изменение энтальпии в любом процессе определяется только начальным и конечным состояниями тела и не зависит от характера процесса. Физический смысл энтальпии выясним на следующем примере. Рассмотрим расширенную систему, включающую газ в цилиндре и поршень с грузом общим весом G .
Рисунок 3 – К определению физического смысла энтальпии
Энергия этой системы
складывается из внутренней энергии
газа и потенциальной энергии поршня с
грузом в поле внешних сил:
.
В условиях равновесия (G
= pF) эту функцию
можно выразить через параметры газа:
.
Получаем, что E ≡ H,
т.е. энтальпию можно трактовать как
энергию расширенной системы.
Уравнение
в случае, когда
единственным видом работы
является работа расширения, с учетом
соотношения
,
откуда
может быть записано в виде
,
или
.
(2.26)
Из этого соотношения следует, что если давление системы сохраняется неизменным, т.е. осуществляется изобарный процесс (dp = 0), то
.
(2.27)
и
.
(2.28)
т.е. теплота, подведенная к системе при постоянном давлении, идет только на изменение энтальпии данной системы.
Это выражение очень часто используется в расчетах, так как огромное количество процессов подвода теплоты в теплоэнергетике (в паровых котлах, камерах сгорания газовых турбин и реактивных двигателей, теплообменных аппаратах), а также целый ряд процессов химической технологии и многих других осуществляется при постоянном давлении. Кстати, по этой причине в таблицах термодинамических свойств обычно приводятся значения энтальпии, а не внутренней энергии.
Для идеального газа с учетом получим
(2.29)
Так как между энтальпией и внутренней энергией существует связь h = u + pυ, выбор начала отсчета одной из них не произволен: в точке, принятой за начало отсчета внутренней энергии, h = pυ.
Например, для воды при t = 0,01ºC и р = 610,8 Па, u = 0, a h = pυ = = 0,611 Дж/кг. При расчетах практический интерес представляет изменение энтальпии в конечном процессе:
.
(2.30)