Внутренняя энергия газа. Энтальпия газа

Внутренняя энергия системы (U, Дж) - это совокупность всех видов энергии в веществах системы. Она включает в себя:

– кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движения частиц;

– потенциальную энергию взаимодействия частиц;

– энергию электронных оболочек атомов;

– внутриядерную энергию и т.д.

В большинстве рассматриваемых нами процессов две последние составляющие остаются неизменными. Поэтому в дальнейшем под внутренней энергией будем понимать энергию хаотического движения молекул и атомов, включающую энергию поступательного, вращательного и колебательного движений как молекулярного, так и внутримолекулярного, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами.

Кинетическая энергия молекул является функцией температуры, значение потенциальной энергии зависит от среднего расстояния между молекулами и, следовательно, от занимаемого газом объема V, т. е. является функцией V. Поэтому внутренняя энергия U есть функция состояния тела.

Для сложной системы она определяется суммой энергий отдельных частей, т.e. обладает свойством аддитивности. Величина u = U/M, называемая удельной внутренней энергией (Дж/кг), представляет собой внутреннюю энергию единицы массы вещества.

В дальнейшем для краткости будем называть величину u просто внутренней энергией. Поскольку внутренняя энергия есть функция состояния тела, то она может быть представлена в виде функции двух любых независимых параметров, определяющих это состояние:

u = φ ₁(p, v); u = φ ₂(p, T); u = φ ₃(v, T).

Ее изменение в термодинамическом процессе Δ u не зависит от характера процесса и определяется только начальным и конечным состояниями тела.

Для задач технической термодинамики важно не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение в различных термодинамических процессах. Поэтому начало отсчета внутренней энергии может быть выбрано произвольно. Например, в соответствии с международным соглашением для идеальных газов – при 0°С вне зависимости от давления.

Для М кг газа

Δ U = U ₂ – U ₁.

Величину суммы внутренней энергии u и потенциальной энергии pv называют энтальпией, которую обозначают буквой h и выражают уравнением (для 1 кг массы в Дж/кг):

h = u + pv,

или для М кг газа (Дж)

H = U + pV.

Физический смысл произведения pv проявляется при анализе конкретных явлений. Так, в проточных системах оно численно равно работе, которую следует совершить, чтобы ввести газ с удельным объемом v в среду с давлением р.

Как видно из уравнения, энтальпия составлена из трех параметров состояния: u, р и v, поэтому величина h тоже параметр состояния. Следовательно, изменение энтальпии не зависит от характера процесса, а зависит от параметра начального и конечного состояний газов.

Энтальпия идеального газа зависит только от температуры, а изменение энтальпии М кг массы идеального газа зависит от ее изменения, т.е.

Δ h = Н ₂ – Н ₁,

где Н ₂ и Н ₁ – величины энтальпии в конечном и начальном состояниях газов, Дж.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое термодинамический процесс?

2. Какой термодинамический процесс называют равновесным?

3. Что такое энергия рабочего тела?

4. Функцией каких параметров состояния является внутренняя энергия идеальных газов?

5. Каков физический смысл произведения pV?

6. Что такое «энтальпия»?

7. Каким термином обозначают процесс передачи энергии на микроуровне?

8. Каким термином обозначают процесс передачи энергии на макроуровне?