2.4 焓Enthalpy2.4.1 为什么引入焓上一节已经知道内能能够描述物体内部储存的能量。对于静止系统使用内能分析通常已经足够。但是对于流动流体情况有所不同。设想有一段流体进入一根管道。流体进入控制体之前必须推动前方流体为自己腾出空间。这个过程中需要克服压力做功。因此流体除了携带内能还携带了一部分由于压力而具有的能量。为了把这两部分能量统一起来工程热力学定义了一个新的状态量——焓Enthalpy。2.4.2 焓的定义焓定义为其中H焓EnthalpyU内能Internal Energyp压力PressureV体积Volume由于工程计算通常采用单位质量表示因此更常用的是比焓其中h比焓kJ/kgu比内能kJ/kgv比容m³/kg由于因此pv 本身就是一种能量。2.4.3 如何理解 pv 项很多初学者看到都会问为什么压力乘以体积就是能量可以从力学出发理解。压力定义为因此如果活塞向前移动距离 L外界做功为代入可得而因此说明pV 表示为了推动流体流动而需要做的机械功也称为流动功Flow Work。因此焓可以理解为焓 内能 流动功需要注意的是这只是帮助理解焓来源的一种方式并不是说内能和流动功在物理上彼此独立地存放在流体中。2.4.4 为什么 CFD 更喜欢使用焓对于流体控制体分析每单位质量流体进入控制体时总会同时携带内能压力做功能量。如果始终采用内能作为未知量那么几乎每个控制体边界都需要额外处理压力做功项。为了简化能量方程工程热力学将两者组合成焓。因此在绝大多数流动问题中直接采用焓作为未知量更加自然也使能量方程形式更加紧凑。这也是 CFD、汽轮机、压缩机、换热器等流动设备分析几乎都采用焓的原因。2.4.5 焓是不是一种真实存在的能量这是一个容易产生误解的问题。内能对应物质内部微观粒子的能量具有明确的物理来源。焓则不同。焓是工程热力学为了方便分析流动过程而定义的一个状态量。因此焓不是一种新的能量形式而是内能和压力做功项组合形成的热力学状态量。它最大的意义不是解释物理世界而是使流动系统的能量分析更加方便。2.4.6 Fluent 中的焓Fluent 求解能量方程时通常采用焓作为主要变量。原因包括焓天然包含了流动功项更容易处理流体流动问题相变模型通常采用焓差计算潜热多组分混合物总焓容易表示各组分焓的加权平均。因此在 Fluent 中经常可以看到Sensible Enthalpy显热焓Standard-State Enthalpy标准状态焓Total Enthalpy总焓这些概念都是以焓为基础建立的后续章节将分别介绍。2.4.7 易混淆概念1焓和热量焓是状态量表示系统当前的能量状态。热量是过程量表示能量传递过程。二者不能混用。2焓和内能内能描述物体内部储存的能量。焓是在内能基础上加入流动功后的状态量更适合分析流动系统。3焓是不是越大越好不是。焓只有相对值有意义。真正具有物理意义的是焓差焓变化率。这与后面要学习的标准状态焓密切相关。2.4.8 本节小结焓是在内能基础上引入流动功后得到的热力学状态量。比焓定义为 (hupv)其中 (pv) 表示流动功。焓不是一种新的能量形式而是为了简化流动系统能量分析而定义的状态量。由于流体流动始终伴随着压力做功因此 CFD 中通常采用焓而不是内能作为能量方程的主要变量。Fluent 中的显热焓、总焓和标准状态焓等概念都建立在焓这一状态量的基础之上。