Энтальпия

Энтальпия H — энергия, которую вещество может отдать или принять в виде тепла при постоянном давлении: H = U + pV, где U — внутренняя энергия. На практике используют удельную энтальпию h в кДж/кг и считают не её абсолютное значение, а разность: количество тепла Q = m · (h₂ − h₁). Так считают нагрев воды, работу котлов и холодопроизводительность холодильных машин.

Энтальпия — это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия — это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия - это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении. Единицы энтальпии — британская тепловая единица или джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии.

Количество энтальпии

Количество энтальпии вещества основано на его данной температуре. Данная температура - это значение, которая выбрано учеными и инженерами, как основание для вычислений. Это температура, при которой энтальпия вещества равна нулю Дж. Другими словами, у вещества нет доступной энергии, которую можно преобразовать в теплоту. Данная (опорная) температура у различных веществ разная. Например, данная температура воды - это тройная точка (0 °C), азота −150 °C, а хладагентов на основе метана и этана −40 °C.

Если температура вещества выше его данной температуры или изменяет состояние на газообразное при данной температуре, энтальпия выражается положительным числом. И наоборот при температуре ниже данной энтальпия вещества выражается отрицательным числом. Энтальпия используется в вычислениях для определения разницы уровней энергии между двумя состояниями. Это необходимо для настройки оборудования и определения коэффициента полезного действия процесса.

Энтальпию часто определяют как полную энергию вещества, так как она равна сумме его внутренней энергии (U) в данном состоянии наряду с его способностью проделать работу (pV). Но в действительности энтальпия не указывает полную энергию вещества при данной температуре выше абсолютного нуля (−273 °C). Следовательно, вместо того, чтобы определять энтальпию как полную теплоту вещества, более точно определять ее как общее количество доступной энергии вещества, которое можно преобразовать в теплоту.

H = U + pV

• H — энтальпия, Дж;
• U — внутренняя энергия, Дж;
• p — давление, Па;
• V — объём, м³.

Программа удельного расчёта воды и энтальпии

Как меняется энтальпия в процессах

Энтальпия растёт, когда веществу подводят тепло или работу, и падает, когда от него отводят тепло. Поэтому по разности энтальпий на входе и выходе любого аппарата сразу видно, сколько тепла он принял или отдал на килограмм вещества.

Последняя строка важна для холодильщика: в терморегулирующем вентиле давление и температура хладагента резко падают, а энтальпия остаётся прежней. Поэтому энтальпию жидкости перед ТРВ и смеси на входе в испаритель берут одну и ту же — h₄ = h₃.

Энтальпия в холодильной технике

Холодопроизводительность компрессора считают по разности энтальпий хладагента на выходе и входе испарителя: Q₀ = G · (h₁ − h₄), где G — массовый расход хладагента. Энтальпии берут из таблиц и диаграмм хладагента для заданных температур кипения и конденсации — давление и температура насыщения фреонов собраны на странице таблица давления фреонов. Как от температуры кипения зависит холодопроизводительность — в статье зависимость холодопроизводительности компрессора от температуры кипения.

Пример расчёта по энтальпии

Сколько тепла нужно, чтобы нагреть 100 кг воды с 20 до 80 °C? По таблице удельная энтальпия воды при 20 °C — 83,9 кДж/кг, при 80 °C — 335,0 кДж/кг. Разность 251,1 кДж/кг, умножаем на массу: Q = 100 · 251,1 = 25 110 кДж, или около 7 кВт·ч. Тот же результат даёт формула Q = m · c · Δt с теплоёмкостью 4,19 кДж/(кг·K).

Разность между последними строками — 2257 кДж/кг — это скрытая теплота парообразования воды: испарение требует в пять с лишним раз больше энергии, чем нагрев от 0 до 100 °C.

Энтальпия в холодильном цикле: пример расчёта

Удельная холодопроизводительность — это разность энтальпий пара на выходе из испарителя и жидкости перед ТРВ. Для R134a при кипении −10 °C и конденсации +40 °C (без перегрева и переохлаждения) энтальпия насыщенного пара на выходе испарителя около 392 кДж/кг, жидкости перед ТРВ — около 256 кДж/кг. Каждый килограмм хладагента снимает в испарителе 392 − 256 = 136 кДж.

Чтобы получить 10 кВт холода, через испаритель должно пройти G = 10 / 136 ≈ 0,074 кг/с, или около 265 кг/ч хладагента. Если поднять температуру кипения, энтальпия пара растёт, а плотность пара на всасывании увеличивается — компрессор того же объёма даёт больше холода. Это одна из причин, почему чиллер на +7 °C воды заметно мощнее того же чиллера на −5 °C гликоля; холодопроизводительность для нужного режима показывается в подборе чиллера онлайн.

Энтальпия влажного воздуха

Энтальпия влажного воздуха складывается из тепла сухого воздуха и тепла водяного пара в нём и считается на 1 кг сухого воздуха. При одинаковой температуре влажный воздух содержит больше энергии, чем сухой, — поэтому охлаждение влажного воздуха требует больше холода: часть его уходит на конденсацию влаги.

h = 1,006 · t + d · (2501 + 1,86 · t) / 1000

• h — энтальпия, кДж/кг сухого воздуха;
• t — температура воздуха, °C;
• d — влагосодержание, г/кг сухого воздуха.

Воздух при 25 °C и относительной влажности 50 % имеет влагосодержание около 9,9 г/кг и энтальпию около 50 кДж/кг. Наглядно эти величины связывает id-диаграмма влажного воздуха.

Частые вопросы

Что такое энтальпия простыми словами?

Это запас тепловой энергии вещества при данном давлении. Важно не само значение, а его изменение: насколько энтальпия выросла или упала, столько тепла вещество получило или отдало.

В чём измеряется энтальпия?

Энтальпия — в джоулях, удельная энтальпия — в джоулях или килоджоулях на килограмм (кДж/кг).

Чем энтальпия отличается от внутренней энергии?

Энтальпия больше на величину pV: H = U + pV. Она учитывает работу, которую вещество совершает при расширении против внешнего давления.

Что такое удельная энтальпия?

Энтальпия единицы массы вещества, кДж/кг. Именно её приводят в таблицах воды, пара и хладагентов и используют в расчётах теплообменников и холодильных машин.

Читайте также

• Энтропия
• Параметры веществ
• Диаграмма фазового равновесия
• Термодинамические системы