5.5.1. Энтальпия жидкости и пара

Напишем уравнение первого закона термодинамики для 1 кг тела в общем виде:

(5.6)

Подведенное к телу количество теплоты затрачивается на изменение внутренней энергии и на совершение работы. А – коэффициент.

Для изобарного процесса можно записать l = p(v₂ –v₁) (см. рис. 4.7).

Допустим, что 1 кг газа, имеющего удельный объем v₁, заключен в цилиндр с поршнем, нагруженным грузом.

Если этот газ подогреть, не изменяя давления, то объем его, очевидно, увеличиться и в какой-нибудь момент станет равным v₂. При расширении газ произведет внешнюю работу, которая выразится в поднятии поршня. Как известно, работа равна произведению силы на путь т.е.

Рис. 5.7. К объяснению значения совершаемой работы

l = Q∙S,

где:

l – работа 1 кг газа при поднятии поршня с постоянным грузом;

Q – общее давление на поршень;

S – расстояние, на которое передвинулся поршень при совершении газом работы l.

Если обозначим давление газа, приходящегося на 1 м² площади поршня, через р, а площадь поршня через F м², то общее давление Q на поршень будет равно pF. При этом l = p·F·S кгм/кг.

Но F·S – объем цилиндра, имеющего площадь основания F и высоту S. Обозначим этот объем через v (удельный объем газа).

Тогда l = p·F·S = pv.

Как видно из рис. 4.7, v= v₂ –v₁, а поэтому

l = p(v₂ –v₁) кгм/кг.

Тогда уравнение 4.6 можно записать

q= (и₂ – и₁) + А p(v₂ –v₁) ккал/кг.

Перегруппировывая члены в правой части уравнения, получим

(5.7)

q= (и₂ + А pv₂) – (и₁ + А pv₁) ккал/кг.

Правая часть этого уравнения является разностью двух выражений, представляющих собой одну и ту же величину вида и + А pv. Эта величина называется э н т а л ь п и е й (теплосодержанием) и обозначается через i. Итак,

i

(5.8)

Как видим, энтальпия определяется тремя величинами: и, р и v, являющимися параметрами состояния рабочего тела. Следовательно, энтальпия тоже является параметром состояния и должна измеряться так же, как измеряются и и А pv, т.е. в килокалориях или килоджоулях. Все величины, входящие в уравнение (4.8), должны относится к одному состоянию тела. Например, если состояние его определяется точкой 1, то i₁ = и₁ + А pv₁ ккал/кг.

В дальнейшем мы увидим, что энтальпия позволяет значительно упрощать и сокращать расчеты, связанные с теплотой, вследствие чего этот параметр широко применяется в теплотехнических расчетах, в особенности в расчетах, относящихся к парам.

Если в уравнении (4.7) для изобарного процесса подставить величину i, то оно приобретает очень простой вид:

(5.9)

q = i₂ – i₁ ккал/кг.

Значения i берутся из специальных таблиц или диаграмм, о которых будет сказано ниже.

Посмотрим, как вычисляют энтальпию для воды и пара (см. рис. 5.8).

Рис. 5.8. К объяснению определения энтальпии воды и пара

При нагревании воды от 0^о С до температуры насыщения t_s вода приобретает энтальпию , называемой энтальпией кипящей жидкости. После чего начинается парообразование и получается влажный насыщенный пар, энтальпию которого можно определить по формуле

ккал/кг.

При этом температура насыщения в сосуде остается постоянной, соответствующей давлению в сосуде. Парообразование происходит за счет величины r, называемой скрытой теплотой парообразования (см. ранее). Когда вся вода испарится, получается сухой насыщенный пар, степень сухости которого х равна 1. Энтальпия сухого насыщенного пара определится как:

ккал/кг.

Нагревая далее сухой насыщенный пар и, повышая его температуру, получаем перегретый пар, энтальпию которого можно определить по формуле

ккал/кг,

где t – температура перегретого пара.