熱力学的開放システムでは、物質がシステムの境界に出入りすることがあります。オープンシステム状態の熱力学の第1法則:システムの内部エネルギーの増加は、流入する物質と加熱する物質によってシステムに加えられるエネルギーの量から流出して物質が失われる量を差し引いた量に等しいシステムによって行われた作業の数:
dU = \ delta Q dU _ {in}} - dU _ {out}} - \ delta W、}
Uinはシステムに入る平均内部エネルギーであり、Uoutはシステムを出る平均内部エネルギーである。
オープンシステムの境界で囲まれた領域は、通常、制御ボリュームと呼ばれ、物理的な壁に対応する場合もあれば、対応しない場合もあります。すべての流入または流出がその表面に対して垂直に起こるように制御容積の形状を選択すると、システムへの物質の流れは、それが流体のピストンであるかのように機能し、システムは質量をシステムに押し込み、システムはあたかも流体のピストンを駆動しているかのように物質の流れに作用する。次に、流体(これはしばしばpVワークと呼ばれる)上で実行される上述のフロー作業と、いくつかの機械装置上で実行され得るシャフト作業の2種類の作業が実行される。 これらの2つのタイプの作業は、式
V _ {in}})\ delta W_ {in}} { \ text {シャフト}}}
対照体積(cv)について上記の式に代入すると、 V_ {in}}) - dU _ {}} {c}} = \ delta Q dU _ { } - d(p _ {out}} V _ {out}}) - \ delta W _ {shaft}}}
エンタルピーHの定義は、この熱力学的ポテンシャルを、開放系流体の内部エネルギーとpV仕事の両方を説明するために使用することを可能にする。
dH _ {out}} - \ delta W _ {shaft}}} {cv}} =
システムの境界線も移動できるようにすると(例えば、ピストンが動いているため)、我々はオープンシステムのための第1の法則のかなり一般的な形式を得る。時間微分の点では以下のようになります。
{H}} _ {k} - \ {H}} {d} 【数1】【数2】【数3】ここで、
熱が供給される様々な場所kに合計があり、物質がシステムに流れ、境界が動いている。 Ḣk項はエンタルピーの流れを表し、次のように書くことができます。
{n}} _ {k}、} {m}} _ {k}
質量流量はκ、位置kのモル流量はṅkである。項dVk / dtは、システムによって行われるpV電力をもたらす位置kにおけるシステム容積の変化率を表す。パラメータPは、シャフト電力などのシステムによって行われる他のすべての形態の電力を表すが、例えば、発電所で発電された電力。 前の式は、運動エネルギー流速がシステムの入口と出口との間で保存される場合にのみ当てはまることに留意されたい。そうでなければ、それはエンタルピーバランスに含まれなければならない。装置(タービン、ポンプ、およびエンジンを参照)の定常状態運転中、平均dU / dtはゼロに等しく設定することができる。これは、化学反応がない場合、これらのデバイスの平均発電量のための有用な表現をもたらす。
r {H}} _ {k} \ left { } \ right \ rangle、} \ right \ rangle - \ sum {k} \ left \ langle p_ {k} {dv_ {k}} {
山括弧は時間平均を示す。エンタルピーの技術的重要性は、上で定式化したように、オープンシステムの第1法におけるその存在に直接関係している。
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