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 + рV. (2.25)

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

Величина

h = u + pv, (2.26)

называемая удельной энтальпией (h = Н / М), 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.

Физически энтальпия представляет собой сумму внутренней энергии и работы, которую надо совершить над рабочим телом, чтобы оно заняло объем v при постоянном давлении р. То есть это своеобразная «полная» энергия рабочего тела.

Как увидим дальше (при изложении первого закон термодинамики для открытых систем) энтальпия очень широко используется в теплотехнических расчетах.

По этой причине в таблицах термодинамических свойств обычно приводятся значения энтальпии, а не внутренней энергии.

Для идеального газа, дифференцируя, (2.26) с учетом соотношения (18) и уравнения (1.4) , найдем

. (2.27)

Добавляя и вычитая vdp в уравнение первого закона термодинамики, получим и учитывая первое равенство (2.27), окончательно запишем

. (2.28)

Это есть выражение первого закона термодинамики для закрытой системы через энтальпию.

Контрольные вопросы и задачи

2.1. 1 л воды нагревается с помощью электрического кипятильника мощностью 300 Вт. За какое время вода нагреется до температуры кипения при атмосферном давлении, если теплообмен с окружающей средой отсутствует, а начальная температура воды равна 20 ˚С?

2.2. Найти среднюю удельную теплоемкость азота в интервале температур 1000 – 2000 ˚С, если известно, что в интервале температур 0 – 2000 ˚С она равна 1,19 кДж/(кг×К), а в интервале температур 0–1000 ˚С – 1,12 кДж/(кг×К).

2.3. Стальной брус высотой 2 м и сечением 100 см² находится под нагрузкой 100 т. Надо ли учитывать работу расширения при расчете теплоты на нагрев бруса от 0 до 200 °С? Плотность стали 7,8 г/см³, коэффициент линейного расширения 0,000013 К^-1, удельная теплоемкость стали 0,46 кДж/(кг×К).

2.4. Какая доля теплоты, подведенной к 1 кг кислорода в изобарном процессе, затрачивается на изменение внутренней энергии?