Принцип сохранения энергии. Энергетический баланс

Для любой системы алгебраическая сумма всех внешних воздействий, которыми система обменивается с окружающими телами через контрольную поверхность, равна изменению энергии системы (рис. 2).

                        (3)

Рис. 2. Схема к уравнению (3)

энергетического баланса

Понятие «внешнее воздействие» употребляют в самом широком смысле: под ним понимают количество энергий всех видов, которыми система обменивается с окружающими телами.

При анализе криогенных систем в левой части уравнения (3) могут быть следующие величины:

× L – механическая, электрическая работа, работа намагничивания;

× l − удельная работа (работа, отнесённая к единице массы системы;

× pv − работа гидродинамических сил каждой единицы массы на входе и выходе из контрольной системы (р − давление; v − удельный объем); работа гидродинамических сил на входе и выходе в общем случае пропорциональна удельному объему и нормальным напряжениям в потоке; если градиент скорости мал, то нормальная составляющая напряжений практически равна давлению р;

× и − внутренняя тепловая энергия каждой единицы массы, пересекающей контрольную поверхность системы;

× е_к и е_п − кинетическая и потенциальная энергия каждой единицы массы, пересекающей контрольную поверхность.

,                              (4)

×   − энтальпия или удельная энергия потока (при малых скоростях) на входе или выходе из системы;

×  – полная удельная энтальпия, называемая также энтальпией адиабатически заторможенного потока (или удельная энергия потока при входе или выходе из системы);

× Q и q – теплота и удельная теплота, передаваемая контрольной системе или теряемая ею под действием разности температур на контрольной поверхности или лучеиспускания.

Величина   в правой части уравнения (3) представляет собой изменение энергии системы. В общем случае для термомеханической системы:

× закрытой −                            ;              (4)

× открытой (за время t) −        .   (5)

Для стационарных режимов −  = 0; для установившихся режимов  также равно нулю либо постоянно.

В технической термодинамике применяют условное правило знаков, согласно которому работу, совершенную системой, и количество теплоты, сообщенной системе, считают положительными (и наоборот); поэтому в уравнениях перед  ставят знак минус, работа подводится.

Так как это правило условное, то его не всегда придерживаются. В ряде практических случаев при составлении уравнений энергетического баланса используют простую алгебраическую сумму внешних воздействий (5).