Основы теплотехники



Что такое энтальпия?



Попробуем уяснить физический смысл и суть понятия энтальпия, которое широко используется при расчетах и прогнозировании различных процессов в теплотехнике.

Уравнение первого закона термодинамики, выражающее закон сохранения энергии в термодинамических процессах, можно преобразовать к следующему виду:

dq = du + pdv = du + pdv + vdp – vdp = d(u + pv) – vdp.

Выражение (u + pv), обозначающее элементарную сумму внутренней энергии и произведенной работы, называют энтальпией и обозначают буквой i.

i = u + pv.

Слово энтальпия в переводе с греческого означает "нагреваю".

Энтальпия тоже является параметром состояния, поскольку составляющие u и pv имеют для каждого состояния вполне определенные значения. Тогда первый закон термодинамики можно записать в виде:

dq = di – vdp.

Чтобы понять суть параметра энтальпия газа представим цилиндр с подвижным поршнем под которым находится 1 кг газа под давлением p, и давление этого газа уравновешивается весом поршня G.
энтальпия газа Поскольку G = pS, где S – площадь поршня, то энергия системы будет равна

u + Gh = u + pSh,

где:
u – внутренняя энергия газа;
Gh = pSh – потенциальная энергия груза (поршня), поднятого на высоту h.

Учитывая, что Sh = V и приведенное выше определение энтальпии, можно записать, что в данном случае энергия системы равна энтальпии: u + pv = i.
Подставив в это уравнение значение u и pv при температуре T, а именно: u = cvT   и   pv = RT, получим:

i = cvT + RT = (cv + R)T.

Выражение (cv + T) в соответствии с уравнением Майера можно выразить через cp:

cp – cv = R     или     cv + T = cp.

Тогда можно записать: i = cpT, т.е. энтальпия газа при температуре T численно равна количеству теплоты, подведенной к рабочему телу при его нагревании от до температуры Т при постоянном давлении.

Существует и другое определение энтальпии - это количество энергии системы или материального тела, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении.
Очевидно, что не вся энергия материальных тел, в т. ч. и газов доступна для преобразования в теплоту. Какая-то часть энергии необходима для поддержания молекулярной структуры тела.
Полная энергия, заключенная в материальном теле массой m, в соответствии с известным уравнением Эйнштейна равна E = mc2.
Лишь часть этой энергии можно превратить в тепло, остудив тело до температуры абсолютного нуля, и эта доля полной энергии (доступной для получения теплоты) – энтальпия.
Не следует забывать, что энтальпия характеризует доступное количество теплоты для конкретного состояния p-V.

Значение энтальпии различных веществ в разных состояниях приведены в справочниках.
Энтальпия используется в вычислениях для определения разницы уровней энергии между двумя состояниями термодинамической системы.
Это бывает необходимо для настройки оборудования и определения коэффициента полезного действия процесса.

***




Понятие энтропии

В переводе с греческого слово "энтропия" означает превращение.

Рассмотрим элементарный термодинамический процесс, в ходе которого 1 кг газа обменивается с внешней средой пренебрежительно малым количеством теплоты dq, при этом его температура Т остается неизменной.
На основании первого закона термодинамики можно записать:

dq = du + pdv.

Если разделить обе части этого уравнения на температуру Т, получим:

dq/T = du/T + pdv/T.

Обозначим соотношение dq/T = ds.
Энтропия s – это величина, изменение которой ds в элементарном термодинамическом процессе равно отношению элементарного количества теплоты dq к постоянной температуре Т.
что такое энтропия Изменение энтропии тела, а не ее абсолютное значение в каких-либо состояниях характеризует количество теплоты, участвующей в термодинамическом процессе. При этом изменение энтропии зависит от параметров газа в начальном и конечном состояниях и не зависит от процесса, по которому изменяется это состояние.
Поэтому энтропию можно рассматривать, как параметр состояния рабочего тела.

Этот параметр не имеет физического смысла и введен формально на основании математических построений для облегчения решения многих теплотехнических задач применительно к идеальному газу.

Энтропия - это мера экстенсивности термодинамической системы в случае, когда переменным параметром является температура.
Проще говоря, энтропия - это мера вероятности протекания в какой-либо изолированной термодинамической системе (с конкретными параметрами) самопроизвольного процесса, при котором все элементы системы (например, молекулы вещества) примут в результате процесса равновесное энергетическое состояние, т. е. система станет энергетически устойчивой. После этого станет невозможен никакой дальнейший термодинамический процесс.

Если еще проще - энтропия характеризует разницу энергии отдельных частей (элементов) изолированной термодинамической системы при приращении температуры. Чем существеннее эта разница, тем большей энтропией обладает система, т. е. вероятность самопроизвольных процессов для установления равновесия между элементами системы (молекулами) выше. Если учесть, что весь окружающий нас физический мир стремится к состоянию максимального энергетического покоя (равновесия), то энтропия характеризует неравновесное состояние термодинамической системы, т. е. выражает степень ее стремления к термодинамическому покою.

Произведение энтропии на изменение температуры системы характеризует изменение энергии системы. При этом даже если энергия системы будет изменяться, энтропия этой системы может оставаться неизменной. Очевидно, что при изотермических процессах (температура системы неизменна) составляющая энергии системы в которую входит энтропия равна нулю.
В общем случае изменение энергии термодинамической системы не является обязательным условием изменения энтропии этой системы.

***

Топливо и его горение

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники"
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):