В процессах, связанных с расчетом котельных установок, паровых турбин, а также с сушкой и охлаждением сельскохозяйственной продукции, используют параметр состояния рабочего тела (газа), называемый энтальпией – теплосодержанием. Удельная энтальпия обозначается h и измеряется в кДж/кг. Введение понятия «энтальпия» дополнительно к ранее рассмотренным (давление, удельный объем, температура, внутренняя энергия, энтропия) p, J, T, u, s облегчает исследование процессов в тепловых двигателях, особенно в паровых турбинах.
Этот параметр состояния равен:
h = u + pJ. (59)
Если в (59) подставить вместо u и pJ их значения, а именно u = cJT и pJ = RT, получим:
h = cJT + RT = cpT. (60)
Следовательно, энтальпия идеального газа численно равна произведению массовой теплоемкости при постоянном давлении на абсолютную температуру. Понятию «энтальпия» можно дать следующее пояснение. Пусть в цилиндре под поршнем находится 1 кг газа. На поршень сверху положен груз массой G, уравновешивающий давление газа r.
Очевидно,
G = p . f,
где f – площадь поршня.
Вся система находится в равновесии. В этом случае энергия системы (1 кг газа и груз) будет равна внутренней энергии газа (u) и потенциальной энергии груза массой G, поднятого на высоту М, равную высоте цилиндра, то есть
u + GM = u + p . f . M. (61)
Так как f . M = J (то есть объему 1 кг газа в цилиндре), то полная энергия системы равна u + pJ = h – величине энтальпии газа.
В теплотехнических расчетах обычно требуется знать изменение энтальпии (Dh = h2 – h1), а не ее абсолютное значение. Поэтому начало отсчета (0 0К или 0 0С) для конечного результата (Dh) значения не имеет.
Используя формулу (41), нетрудно доказать, что для любого газа в процессе при постоянном давлении (изобарном, r = const) подводимая теплота равна разности энтальпии в конце и начале процесса:
qp = Du + ℓ = u2 – u1 + p (J2 – J1) = (u2 + pJ2) –
– (u1 + pJ1),
или, с учетом (59),
qp = h2 – h1. (62)
Следовательно, в изобарном процессе количество подведенной теплоты (qp) определяется разностью энтальпии в конце (h2) и начале (h1) процесса.