首先讲一下本文的五点说明:1、将热力学能称作内能,因为更容易理解;2、工质为理想气体,因为这是最简单的能量媒介气体;3、过程可逆,因为不用考虑能量的主观浪费;4、流动为稳定流动,因为不用考虑时间维度。5、闭口系取定容过程,空间被锁死,关注时间变化;开口系取定压过程,时间被屏蔽,关注空间变化。
首先要了解几个概念,因为这几个概念《(工程)热力学》书中不会提及但却对理解能量很有帮助。
宏观:对事物的认识不涉及分子、原子、电子等内部结构或机制。
微观:对事物的认识涉及分子、原子、电子等内部结构或机制。
运动:物体空间位置的变化过程。
静止:物体在空间上相对于另外某物体没有发生位置变化。
宏观与微观是人类看待客观世界的两种角度,二者没有交集,并集是全集。二者会相互影响。运动时物质的存在方式和根本属性,是绝对的;静止时物质运动在一定条件下的稳定状态,是运动的一种特殊状态,是相对坐标系而言的。
再者介绍一下焓H的铺垫概念,因为焓并不是一个一级概念。
内能U:热力系统处于宏观静止状态时,系统内所有微观粒子所具有的能量之和(分子位能与分子动能之和)。理想气体的内能是温度的单值函数,由于绝对零度无法达到,所以任何物质、任何时候都具有内能。
外能:系统与外立场相互作用,以及以外界为参考坐标的宏观运动时所具有的能量。外能具有相对性。
总能E:内部储存能U(内能或热力学能)与外部储存能之和。符号表示:E=U+(Ek+Ep)。
从热力学第一定律中我们可以知道,系统从热源吸热Q后,热量Q有三个方面的走向:1、改变系统的总储存能dEsy2、改变流出系统的工质的总储存能(dE)3、为工质对外做功(总功Wtot)提供能量。符号表示为:Q=dEsy+dE+Wtot。顺便提一句,我们要区别开“系统”和“工质”,系统是个筐,什么工质都可以往里装,我们研究的注意力焦点在系统,所有的热力学状态参数都针对系统而言,但变化过程是由工质具体操作的。
我们要注意一点,上式中有两个E,也就是两个总能量。另外,在我们初学热力学的时候,系统是保持静止状态的,即dEsy=dU,我们再把热力学第一定律的通用表达式具体化一下:Q=dU+Mout(u+Ek+Ep)out+Min(u+Ek+Ep)in+Wtot。
上述热力学第一定律的通用表达式,闭口系统中,三个走向要进行细化。总储存能只是内能;没有工质流动即不改变工质的总储存能;总功为零。符号表示:Q=U2-U1
在稳定流动系统中,同样要对第一定律通用式进行细化,但细化方式不同。理解焓根本途径,只要弄清楚这两种情况的差异与相同之处就可以。
哪里变化了呢?第一,系统的取法变化了,闭口系,例如一个没有漏气的高压电饭锅;开口系,例如两边开口的水管。第二,工质运动状态变化了,闭口系统内工质没有宏观 运动,稳定流动系统中工质处于稳定流动状态(系统内个点的状态不随时间改变)。
哪里没有变?能量源没有变,都是热量Q。
在这两个变化中,系统内工质发生了宏观运动是关键。它是怎么发生的运动呢?是通过系统自身体积变化来实现的,工质吸热、膨胀,自己拿出从热量Q中得到的属于自己的能量对自己做功,从而使自己运动。这里的功被称作“流动功d(pv)”,是工质为维持自身移动所消耗的功。反过来,如果说工质没有运动,那么这部分功仍然是属于工质内部的能量。而且我们要注意:工质运动了,但是系统没有动,这部分功不能算做系统的宏观动能。
综合上一段说明,可将总功Wtot分解成两部分:1、流动功d(pv)2、轴功Wsh。可以看出,流动功对于实际生产并没有起到任何作用。并且上一段谈到了,如果工质不流动,这部分能量任然属于工质的内能,所以我们将流动工质的内能U(注意绝不是系统的内能U)和工质的流动功d(pv)合并,并称之为“焓H”。符号表示:H=U+d(pv)。表示沿工质流动方向传递的总能量中,取决于热力状态的那部分能量。可以看出,焓H和内能U一样,是温度的单值函数。
明白了焓H的来源之后,我们就很容易区分内能U与焓H了。
在定容过程中,二者根本没有可比性,因为定容过程焓H没有物理意义,仅仅是一个复合状态参数,数值上和内能U差了vdp。在定压过程中,当然差异就显而易见了,二者差一个流动功d(pv),焓H里包含着内能U。另外,当工质没有发生任何变化时,系统的内能U和焓H数值上相等,因为d(pv)=0。
下面的内容是本文的推广,工程热力学中,总共涉及到了六个状态参数,即P、V、T、S、H、U。这六个参数根本不是处于同一层面上的。
V是是否做功的标尺;S是否传热的标尺;P是做功的动力;T是传热的动力。
H、U表示基本能量。
因为焓与热力学能二者都在描述能量,所以初学者容易弄混。