§ 106. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОТОКОВ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ
Первое начало термодинамики, которое записывалось в виде уравнения
применимо для объектов, находящихся в относительном покое. Систему отсчета всегда можно выбрать так, чтобы фиксированный объем текущей среды находился в покое. В такой специально подобранной системе координат изменения состояния элементарного объема термодинамически описываются уравнением (106.1). Для движущихся объемов уравнение (106.1), оставаясь справедливым, уже не будет отражать всех сторон передачи и превращения энергии. Для более полного описания изменений в текущих средах следует учесть ряд обстоятельств, которые рассмотрены ниже.
Пусть течение среды происходит во внешних силовых полях с потенциалом
, рассчитанным на единицу массы. Тогда при движении элементарного объема с массой
следует учесть изменение внутренней энергии и, энергии движения — и потенциальной энергии
Изменение этой суммы происходит как вследствие макроскопических, так и микроскопических способов передачи энергии. В
свободном потоке макроскопический обмен энергии между элементарными объемами происходит вследствие работы перемещения и работы расширения:
Микроскопическая передача энергии в общем случае в потоке определяется также двумя составляющими:
первая из которых определяет количество передаваемой теплоты, вторая
характеризует микрофизические процессы передачи и превращения энергии, отличные от тех процессов, которые определяются величиной
В частности,
может быть обусловлено вязкостью среды. Величину
назовем субтеплотой, этим названием подчеркивается сходство слагаемых (106.4) как характеристик микрофизических процессов передачи и превращения энергии.
Из изложенного следует, что теплота и субтеплота в движущихся системах расходуются на изменение внутренней энергии, кинетической и потенциальной энергии, а также на совершение работ расширения и перемещения.
Это уравнение перепишем так, чтобы справа стоял полный дифференциал функции состояния элементарного объема системы:
Выражение (106.6) представляет собой запись закона сохранения энергии для элемента объема текучих сред. Величина
входящая в правую часть
обобщенная энергия элементарного объема. Составляющая энергии
имеет смысл потенциальной энергии: ее дифференциал связан как с работой расширения, так и с работой перемещения.
С введением энтальпии
переписывается так:
Для идеального газа
мольная теплоемкость при постоянном давлении):
Соотношение (106.6) в соответствии с (106.1) распадается на два уравнения:
Таким образом, при течении сред происходят процессы двух типов — тепловые и субтепловые. Эти две стороны процесса течения аналитически объединены тем, что изменение потенциальной функции
влияет на них обеих. При неустановившемся изолированном потоке среды в отдельных элементарных объемах изменения энтропии
могут быть как положительными, так и отрицательными; во всем же потоке энтропия с течением времени всегда увеличивается