2.5. Энтальпия

Одним из важнейших параметров в термодинамике является энтальпия.

Введение этого параметра упрощает рассмотрение процессов в тепловых двигателях, особенно при исследовании процессов, в которых рабочим телом является водяной пар.

Под энтальпией понимают энергию расширенной системы, состоящей из макротела (газа) и поршня с грузом, уравновешивающего давление газа внутри сосуда, куда заключен газ.

Энтальпия равна сумме внутренней энергии системы и потенциальной энергии поршня с грузом

(22)

Физический смысл энтальпии поясним на следующем примере.

Рассмотрим расширенную систему, включающую газ в цилиндре и поршень с грузом общим весом (рисунок 3).

Рисунок 3.

Энергия этой системы складывается из внутренней энергии газа и потенциальной энергии поршня с грузом:

В условиях равновесия эту систему можно выразить через параметры состояния газа

Получаем, что , т.е. энтальпию можно трактовать как энергию расширенной системы.

Так как входящие в уравнение (22) величины являются функциями состояния, то и сама энтальпия является функцией состояния.

Также как внутренняя энергия, работа и теплота энтальпия измеряется в джоулях.

.

Удельная энтальпия представляет собой энтальпию системы, содержащей 1 кг вещества

. (23)

Энтальпия может быть представлена в виде функции двух любых параметров состояния

. (24)

Так как между энтальпией и внутренней энергией существует связь , то выбор начала отсчета одной из них не произволен: в точке, принятой за начало отсчета внутренней энергии .

Например, для воды при и , , а .

2.6. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям.

Для закрытой системы первый закон (первое начало) термодинамики формулируется следующим образом:

количество теплоты, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системной работы против внешних сил.

В дифференциальной форме первое начало термодинамики можно записать

(25)

где  элементарное количество теплоты, сообщенное системе;

 приращение внутренней энергии системы;

 элементарная работа против внешних сил (работа расширения).

Полученное уравнение является математическим выражением первого закона термодинамики. Каждый из трех членов этого соотношения может быть положительным, отрицательным или равным нулю.

Рассмотрим некоторые частные случаи.

1.  теплообмен системы с окружающей средой отсутствует, т.е. теплота к системе не подводится и от нее не отводится.

Этот процесс называется адиабатным и для него уравнение (25) примет вид:

Следовательно, работа расширения, совершаемая системой в адиабатном процессе, равна уменьшению внутренней энергии данной системы. При адиабатном сжатии рабочего тела затрачиваемая из вне работа целиком идет на увеличение внутренней энергии системы.

2.  при этом объем тела не изменяется, .

Такой процесс называется изохорным.

Для изохорного процесса уравнение (25) имеет вид

т.е. количество теплоты, подведенное к системе при постоянном объеме, равно увеличению внутренней энергии данной системы.

3.  внутренняя энергия не изменяется и

т.е. сообщаемая системе теплота превращается в эквивалентную ей внешнюю работу.

Для системы, содержащей 1 кг рабочего тела

(26)

или

. (27)

Прибавим к правой части выражения (27) и отнимем , тогда

Тогда

(28)

С учетом выражения (23), получим

(29)

В уравнении (29) выражение называется технической работой.

Тогда уравнение (29) можно представить в виде

. (30)

Выражение (30) также представляет собой первое начало термодинамики.

В интегральной форме первое начало термодинамики можно представить в виде

(31)

или

(32)

12