2.19. Внутренняя энергия, энтальпия, энтропия

С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия составляется из кинетической энергии всех частиц (молекул, атомов), потенциальной энергии взаимодействия молекул и энергии колебательного движения атомов (т. н. нулевой энергии). Внутренняя энергия есть функция состояния, зависящая от температуры и давления, а для идеального газа — только от температуры (в этом случае потенциальной энергией взаимодействия пренебрегают).
На практике значение имеет не сама величина внутренней энергии, и ее изменение ΔU:

ΔU = c_VM (t₂ – t₁) (2.62)

где с_VM — средняя удельная массовая теплоемкость при постоянном объеме в пределах от t₁ до t₂, кДж/(кг•°С). Таким образом, изменение внутренней энергии идеального газа равно произведению средней теплоемкости при постоянном объеме на разность температур газа.

Рис. 2.10. Зависимость энтальпии газов от приведенных температуры и давления.

Единицы удельной внутренней энергии — джоуль на килограмм (Дж/кг), джоуль на киломоль (Дж/кмоль) и джоуль на метр кубический (Дж/м³).

Энтальпия (теплосодержание насыщенного газа) — количество теп­лоты, необходимое для повышения температуры 1 кг вещества от абсолютного нуля до пара заданной температуры. В общем случае энтальпия является функцией температуры и давления.

Как и в случае с внутренней энергией, чаще надо знать изменение энтальпии ΔI, а не ее абсолютное значение:

ΔI = с_рМ (t₂ – t₁) (2.63)

где с_рМ — средняя удельная массовая темплоемкость при постоянном давлении в пределах от t₁ до t₂, кДж/(кг.°С).

Следовательно, изменение энтальпии идеального газа равно произведению средней теплоемкости при постоянном давлении на разность температур газа.

Энтальпию реального газа можно рассматривать как сумму энтальпии в идеальном состоянии и соответствующего корректирующего члена:

I = I_ид + ΔI (2.64)

Корректирующий член ΔI может быть определен по графику зависимости энтальпии газов от приведенных температуры и давления (рис. 2.10).

Энтропия, так же как энтальпия и внутренняя энергия, — функция состояния рабочего тела (системы). Элементарное приращение энтропии в любом обратимом процессе выражается соотношением

dS = dQ/T = (dU + Adl)/T (2.65)

где dS — приращение энтропии, кДж/(кг•К); dQ — изменение тепловой энергии рабочего тела, кДж/кг; dU — приращение внутренней энергии, кДж/кг; dl — внешняя работа, кДж/кг; А—тепловой эквивалент работы, равный 1/101,7 кДж (кг•м); Т — абсолютная температура, К.

В практике расчет энтропии встречается редко, поэтому в данном случае имеет смысл обратиться к специализированной литературе.