Открытая термодинамическая система. Располагаемая работа. Энтальпия.

Открытой термодинамической системой (системой установившегося потока) называется система, через границы которой может передаваться теплота, работа и масса рабочего тела.

По схеме открытой т.д.с. работают все современные непрерывно действующие тепловые двигатели. Несмотря на различия в конструкции и использование различных способов преобразования энергии (ДВС: тепловая - механическая; ГТУ и ПТУ: тепловая - кинетическая - механическая), для них характерна общая принципиальная схема открытой т.д.с. (рис. 2.6).

Рис. 2.6

В тепловую машину поступает газ с параметрами p₁, v₁, T₁ и скоростью w₁. В машине к рабочему телу подводится теплота q и совершается работа l_тех. На выходе из двигателя газ имеет параметры p₂, v₂, T₂  и движется со скорость w₂.

Особенностью работы по схеме открытой термодинамической системы является то, что изменение состояния исследуемой массы рабочего тела органически и постоянно связано с перемещением рабочего тела, находящегося вне условно выбранных границ. Поэтому такая система называется открытой расширенной.

Термин открытая расширенная термодинамическая система подчеркивает объединение энергетических эффектов, происходящих в исследуемой массе рабочего тела, и постоянно взаимодействующих с нею смежных элементов массы общего потока в один общий энергетический эффект.

Работа в открытой расширенной т.д.с., в отличие от закрытой, может совершаться не только в процессе прохождения рабочего тела через машину, но и при его взаимодействии с окружающей средой.

Работа процесса в открытой термодинамической системе, совершаемая в потоке рабочего тела, называется располагаемой работой (L’ [Дж] - полная располагаемая работа,  l’ [Дж/кг] - удельная располагаемая работа).

Для выяснения физической сущности понятия располагаемая работа рассмотрим процесс прохождение 1 килограмма рабочего тела через идеальную тепловую машину. Располагаемая работа такого процесса будет определяться суммой трех механических работ (рис. 2.7):

1. Работа перемещения на входе в машину (работа наполнения). Совершается позади идущим потоком, заставляющим двигаться рабочее тело на входе в тепловую машину:

 .

2. Работа расширения рабочего тела в тепловой машине:

 . 

3. Работа перемещения на выходе из машины (работа выталкивания). Затрачивается на преодоление сопротивления впереди идущего потока:

 .

Результирующая работа обратимого процесса в условиях открытой термодинамической системе определится суммой перечисленных работ:

 . (2.9)

Рис. 2.8

Применительно к элементарному обратимому процессу a-b (рис. 2.8) уравнение (2.9) запишется в виде:

,

                                .                   

Соответственно для конечного обратимого термодинамического процесса 1-2 располагаемая работа в условиях открытой расширенной системы будет равна:

                          .                (2.10)

Графически, в p-v диаграмме, располагаемая работа изобразится площадью фигуры p₁ - 1 - 2 - p₂ (Рис 2.8).

Величина располагаемой работы определяется изменением давления в процессе 1-2, а знак ее будет обратным знаку изменения давления:

* при расширении D p = p₂ - p₁  < 0 Þ l’ > 0,

* при сжатии          D p = p₂ - p₁  > 0 Þ l’ < 0.

Термин располагаемая работа подчеркивает условия идеальной обратимой машины и понимается как возможный максимум производимой работы в процессе расширения или как возможный минимум потребляемой работы в процессе сжатия.

Величина располагаемой работы может реализоваться в тепловой машине в форме трех механических эффектов:

1. технической работы l_тех, передаваемой на вал непрерывно действующей машины;

2. приращения кинетической энергии массы рабочего тела ;

3. изменение потенциальной энергии положения массы рабочего тела  g(z₂-z₁), где z - высота, м.

                             .          (2.11)

Для основных типов тепловых машин, применяемых в настоящее время, величиной изменения потенциальной энергии положения массы рабочего тела можно принебречь ввиду ее незначительности. Поэтому уравнение 2.11 перепишется в виде:

                                                .                               (2.11(а))

В частном случае, когда скорость потока рабочего тела в тепловой машине существенно не изменяется, располагаемая работа будет равна технической (например в ДВС): . В этом случае можно говорить о располагаемой технической работе процесса.

Для обратимых струйных аппаратов (сопла и диффузоры) техническая работа равна нулю,и вся располагаемая работа процесса расходуется на изменение кинетической энергии потока:  .

Термическая энергия в условиях открытой расширенной системы оценивается с понятием энтальпия. Для выяснения ее физического смысла составим уравнение энергетического баланса для тепловой машины, работающей по схеме изображенной на рисунке 2.6.

На входе в машину 1 килограмм массы рабочего тела вносит сумму следующих энергетических компонентов:

- u₁     - внутренняя энергия потока;

- g z₁ - потенциальная энергия положения;

- p₁v₁ - потенциальная энергия давления;

-  - кинетическая энергия потока.

Из всех перечисленных компонентов лишь внутренняя энергия принадлежит исключительно исследуемой массе вещества. Все остальные являются результатом взаимодействия исследуемой массы рабочего тела с окружающим потоком.

На выходе их машины 1 кг рабочего тела, соответственно, выносит сумму энергетических компонентов  u₂, g z₂, p₂v₂ и  .

Принимая во внимание то, что каждый килограмм массы рабочего тела потребляет извне теплоту q и отдает во вне работу l_тех , а также, принебрегая относительно малым изменением величины потенциальной энергии положения gz, уравнение энергетического баланса можно записать в виде:

                              .                (2.12)

Обозначим   i = u + pv [Дж/кг]. Так, как входящие в это выражение энергетические компоненты u, p и v являются параметрами состояния термодинамической системы, то и вновь введенное понятие - энтальпия i - является параметром состояния.

Свое название энтальпия получила по предложению голландского ученого Каммелинг-Онеса и состоит из 2-х греческих слов “энергия” и “жар”.

 По своему физическому смыслу энтальпия представляет собой термическую энергию вещества в условиях открытой расширенной термодинамической системы. По величине она равна сумме внутренней энергии рабочего тела и его потенциальной энергии давления. Энтальпия является функцией состояния рабочего тела и независит от характера протекающего процесса.

 В термодинамических исследованиях интерес представляет не абсолютное значение энтальпии, а ее изменение в ходе процесса:

 .

Для произвольной массы рабочего тела полная энтальпия определится как: I = i G [Дж].