
- •Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» кафедра технической механики и материаловедения
- •Внутренняя энергия
- •Работа расширения
- •Теплота
- •Аналитическое выражение первого закона термодинамики
- •Теплоемкость газов
- •Энтальпия
- •Изохорный процесс
- •Изобарный процесс
- •Изотермический процесс
- •Адиабатный процесс
- •Политропные процессы
- •Первое начало термодинамики
- •Контрольные вопросы
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:
Н = U + pV
Так как входящие в нее величины являются функцией 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
h = u + pυ
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:
h = ψ1 (p, υ); h = ψ2(υ, T ); h = ψ3(p, T),
а величина dh является полным дифференциалом.
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 с поршнем с грузом общим весом G (рисунок 3.3).
Рисунок 3.3 – К определению физического смысла энтальпии
Энергия этой системы складывается из внутренней энергии газа и потенциальной энергии поршня с грузом в поле внешних сил:
Е = U + Gy
В условиях равновесия (G = pF) эту функцию можно выразить через параметры газа:
E = U + pFy = U + pV.
Получаем, что Е = Н, т.е. энтальпию можно трактовать как энергию расширенной системы.
Уравнение δq = du + pdυ в случае, когда единственным видом работы является работа расширения, с учетом очевидного соотношения
pdυ = d(pυ) – υdp
может быть записано в виде
δq = d(u + pυ) – υdp
или
δq = dh – υdp
Из этого соотношения следует, что если давление системы сохраняется неизменным, т.е. осуществляется изобарный процесс (dp = 0), то
δq = dh
qp = h2 – h1
т.е. теплота, подведенная к системе при постоянном давлении, идет только на изменение энтальпии данной системы.
Для идеального газа
dh = du + d(pυ) = cpdT + RdT = (cυ + R)dT = cpdT
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 = 0,01 ºС и р = 610,8 Па, U = 0, а h = pυ = 610,8·0,001 = 0,611 Дж/кг.
При расчетах практический интерес представляет изменение энтальпии в конечном процессе:
.
Состояние рабочего тела в каждый момент термодинамического процесса должно удовлетворять уравнению состояния идеального газа. Соотношение между теплотой процесса, изменением внутренней энергии рабочего тела и совершаемой или получаемой им работой должно соответствовать первому закону термодинамики. Поэтому исследование термодинамических процессов базируется на уравнениях состояния идеального газа и первого закона термодинамики.
Необходимо составить уравнение термодинамики термодинамического процесса, установить характер изменения внутренней энергии в процессе, получить математические выражения для определения механической и располагаемой работы процесса, а также количества внешней теплоты, подводимой или отводимой в процессе. Для каждого процесса устанавливают соотношение между параметрами состояния в начале и конце процесса и представляют графическое изображение в рυ-координатах. Графики основных термодинамических процессов соответственно называются изохорой, изобарой, изотермой, адиабатой и политропой.