Теплоемкость, энтальпия и энтропия

Теплоемкость и ее виды. Удельной теплоемкостью с называют количество теплоты q, которое требуется для изменения температуры единицы количества вещества на один градус:

Различают массовую с, объемную с' и мольную теплоемкости, которые имеют размерность: с, Дж/кг · К; с', Дж/нм³ · К; , Дж/ моль · К. Эти теплоемкости связаны между собой соотношениями

(1.15)

где ν_о, ρ_о, μ – удельный объем, плотность и молекулярная масса газа при нормальных условиях (ρ_о = 1,013 · 10⁵ Па, Т_о = 273 К).

Теплоемкость зависит от физической природы рабочего тела, температуры, термодинамического процесса.

В технической термодинамике наиболее часто используют изобарную теплоемкость с_р (при р = const) и изохорную с_ν (при ν = const).

Связь между этими теплоемкостями определяется соотношением Майера для идеального газа:

с_р - с_ν = R, (1.16)

где R – газовая постоянная, Дж/кг · К.

Зависимостью теплоемкости от температуры часто пренебрегают, и тогда количество теплоты в изобарном и изохорном процессах находится из выражений

Q_p = Мс_р (Т₂ – Т₁) или q_р = с_р (Т₂ – Т₁);

(1.17)

Q_ν = Мс_ν (Т₂ – Т₁) или q_ν = с_ν (Т₂ – Т₁).

Из выражения первого закона термодинамики (1.13) и соотношения (1.14) можно получить соотношения для определения изменения внутренней энергии Δu и энтальпии Δh, справедливые для всех термодинамических процессов:

dq_ν = du; du = c_νdT; Δu = u₂ – u₁ = c_ν (Т₂ – Т₁);

(1.18)

dq_р = du + рdν = dh; dh = c_pdT; Δh = h₂ – h₁ = c_p (Т₂ – Т₁).

Поскольку теплоемкость изменяется с температурой, в зависимости от интервала температур различают истинную с и среднюю с_ср теплоемкости. Истинная теплоемкость соответствует бесконечно малому интервалу температур, а средняя - конечному интервалу изменения температуры. Значения теплоемкостей основных газов приводятся в справочниках, учебных пособиях в зависимости от температуры [2, 3].

Энтальпия. Вводится расчетным путем: полное – H = U + pV или удельное значение h = u + pν, энтальпия представляет некоторую энергию, равную сумме внутренней энергии и произведения давления на объем. Единицей измерения энтальпии Н является джоуль (Дж) или h, Дж/кг. Энтальпия является функцией состояния. Так как в изобарном процессе dH = dQ, то можно сказать, что энтальпия – это количество теплоты, подведенное в изобарном процессе.

Энтропия. Единицей измерения энтропии S является Дж/К и удельной s – Дж/ кг·К. Эта функция состояния вводится расчетным путем и имеет полный дифференциал Количество теплоты в термодинамическом процессе

Если представить термодинамический процесс в T-s диаграмме, то площадь под кривой процесса характеризует количество подведенной или отведенной теплоты.

Энтропию нельзя измерить, но по физическому смыслу она является мерой температурной ценности теплоты, ее способности превращения в работу. Можно сказать также, что энтропия характеризует потерю работы вследствие необратимости реальных процессов (при этом энтропия возрастает).

Обычно при расчете термодинамических процессов определяют не абсолютные значения u, h, s, а изменение в процессе Δu, Δh, Δs.