Удельная энтальпия: секреты, факты и любопытные подробности
Удельная энтальпия - уникальная величина, позволяющая глубже понять процессы, происходящие в различных системах. Она тесно связана с такими понятиями как энергия, теплота, работа. Давайте познакомимся с удивительными фактами и секретами удельной энтальпии, рассмотрим ее практическое применение и откроем для себя эту полезную величину.
Что такое удельная энтальпия и откуда она взялась
Удельная энтальпия - это количество теплоты, которой обладает единица массы термодинамической системы при постоянном давлении. Она является одной из важнейших термодинамических функций и обозначается буквой "i".
Впервые понятие энтальпии ввел в 1875 году американский физико-химик Джозайя Уиллард Гиббс в своей работе "О равновесии гетерогенных веществ". Изначально он использовал термин "тепловая функция при постоянном давлении".
Энтальпия тесно связана с такими величинами как внутренняя энергия U и работа рВ, совершаемая газом.
Физический смысл удельной энтальпии можно понять из ее определения:
- i = u + pv, где
- u - удельная внутренняя энергия;
- р - давление среды;
- v - удельный объем.
То есть энтальпия представляет собой сумму внутренней энергии вещества и энергии его взаимодействия с окружающей средой. Представьте, что вы надуваете воздушный шарик - при этом совершается работа по расширению шарика, и эта энергия также учитывается в энтальпии.
Зачем нужна удельная энтальпия и где она применяется
Главная ценность удельной энтальпии в том, что она позволяет значительно упростить многие инженерные расчеты в термодинамике и теплоэнергетике. В частности, с ее помощью легко определить количество теплоты, которое необходимо подвести или отвести в технологических процессах при постоянном давлении.
Например, для идеального газа изменение удельной энтальпии Δi определяется по простой формуле:
Δi = ср(t2 - t1), где ср - теплоемкость газа, а t1 и t2 - начальная и конечная температуры.
Зная Δi, можно легко рассчитать необходимое количество теплоты Q для нагрева или охлаждения газа:
Q = Δi · m, где m - масса газа.
Удельную энтальпию также часто используют в термохимических расчетах - для определения тепловых эффектов химических реакций. В этом случае важна не сама величина i, а ее изменение Δi в результате реакции. Зная Δi, можно рассчитать выделившееся или поглощенное количество теплоты.
Интересные факты об удельной энтальпии
Удельная энтальпия обладает рядом удивительных особенностей и свойств, о которых стоит узнать.
Во-первых, как и для других термодинамических функций, выбор начала отсчета для энтальпии достаточно произволен. Чаще всего за ноль принимают значение энтальпии вещества в каком-либо стандартном состоянии (например, в твердом состоянии при 25°С).
Во-вторых, энтальпия является аддитивной величиной - для смеси или раствора она равна сумме энтальпий всех компонентов, взятых с учетом их массовых долей.
В-третьих, в системе СИ удельная энтальпия имеет размерность энергии - [Дж/кг] или [кДж/кг]. Это логично, ведь энтальпия характеризует содержание энергии в единице массы вещества.
Кстати, одну из наибольших удельных энтальпий имеет вода - для нее этот показатель составляет около 4200 кДж/кг в жидком состоянии при 100°С. Это объясняется аномально большой теплоемкостью воды.
| Вещество | Удельная энтальпия, кДж/кг |
| Вода (жидкая, 100°C) | 4200 |
| Воздух (газ, 20°C) | 300 |
Как рассчитать удельную энтальпию
Для расчета удельной энтальпии существуют различные методы. Рассмотрим некоторые из них.
Для идеального газа с постоянной теплоемкостью вычисление удельной энтальпии не составляет труда. Оно осуществляется по формуле:
i = cр·t, где ср - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, t - температура.
Для реальных систем определение удельной энтальпии чуть сложнее и может вестись двумя путями: экспериментальным и расчетным. Экспериментально энтальпию находят путем калориметрических измерений. Расчетным путем ее определяют, используя различные уравнения состояния и табличные значения термодинамических свойств веществ.
Таблица значений удельной энтальпии
Значения удельной энтальпии для наиболее распространенных веществ можно найти в специальных таблицах. Они составлены для различных агрегатных состояний в зависимости от температуры. Ниже приведен фрагмент такой таблицы для воды:
| Температура, °C | Энтальпия воды, кДж/кг |
| 0 (лед) | 0 |
| 20 (жидкость) | 84 |
| 100 (водяной пар) | 2676 |
Пример расчета удельной энтальпии
Рассмотрим на примере, как можно рассчитать изменение удельной энтальпии воды при нагревании от 20 до 100°С. Для этого воспользуемся приведенной выше таблицей значений:
- i(100°С) = 2676 кДж/кг;
- i(20°С) = 84 кДж/кг.
Тогда изменение энтальпии составит:
Δi = i(100°С) - i(20°С) = 2676 - 84 = 2592 кДж/кг
Полученное значение Δi можно использовать в дальнейших инженерных расчетах данного процесса нагрева воды.
Графические методы определения удельной энтальпии
Наряду с расчетными, существуют и графические методы нахождения удельной энтальпии. Они основаны на использовании термодинамических диаграмм и графиков.
Наибольшее распространение в инженерной практике получила h,s-диаграмма. По ней можно определить энтальпию вещества в заданном состоянии, а также рассчитать тепловые эффекты различных процессов (нагревания, охлаждения, фазовых переходов и т.д.).