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:

H = U + pV. (2.32)

Так как входящие в нее величины явля­ются функциями состояния, то и сама энтальпия является функцией состояния. Так же как внутренняя анергия, ра­бота и теплота, она измеряется в джоу­лях (Дж).

Энтальпия обладает свойством адди­тивности. Величина

h = u + pv, (2.33)

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,v); h = ψ₂(v,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 и поршень с грузом общим весом G (рисунок 2.3). Энергия этой системы складывается из внутренней энергии га­за и потенциальной энергии поршня с грузом в поле внешних сил: E = U + Gy. В условиях равновесия (G = pF) эту функцию можно выразить через па­раметры газа: E = U + pFy = U + pV. Получаем, что E = H, т.е. энтальпию можно трактовать как энергию расши­ренной системы.

Уравнение δq = du + pdv в случае, когда единственным видом ра­боты является работа расширения, с уче­том очевидного соотношения

pdv = d(pv) – vdp может быть записано в виде δq = d (u + pv) – vdp, или

δq = dh – vdp. (2.34)

Из этого соотношения следует, что если давление системы сохраняется неизменным, т. е. осуществляется изобар­ный процесс (dp = 0), то

δq_p = dh (2.35)

и

q_p = h₂ – h₁ (2.36)

т. е. теплота, подведенная к системе при постоянном давлении, идет только на изменение энтальпии данной системы.

Рис. 2.3 – К определению физического смысла энтальпии

 

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 получим

dh = du + d(pv) = c_vdT + RdT = (c_v + R)dT = c_pdT. (2.37)

Так как между энтальпией и внутрен­ней энергией существует связь (2.33), выбор начала отсчета одной из них не произволен: в точке, принятой за начало отсчета внутренней энергии, h = pv. На­пример, для воды при t = 0,01 °С и р = 610,8 Па, u = 0, a h = pv = 610,8 · 0.001 = 0,611 Дж/кг.

При расчетах практический интерес представляет изменение энтальпии в ко­нечном процессе:

. (2.38)