第二章 温度、热量与能量（四）---焓

2.4 焓（Enthalpy）

2.4.1 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（Enthalpy）

• U：内能（Internal Energy）

• p：压力（Pressure）

• V：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/kg）

• u：比内能（kJ/kg）

• v：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：

1. 焓天然包含了流动功项；

2. 更容易处理流体流动问题；

3. 相变模型通常采用焓差计算潜热；

4. 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

1. 焓是在内能基础上引入流动功后得到的热力学状态量。

2. 比焓定义为 (h=u+pv)，其中 (pv) 表示流动功。

3. 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。

4. 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。

5. 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。