عملية التدفق

تُسمى المنطقة المحصورة بين حدود النظام المفتوحة عادةً بحجم التحكم . وقد تتطابق أو لا تتطابق مع الجدران المادية. من الملائم تحديد شكل حجم التحكم بحيث يكون تدفق المادة، سواءً الداخلة أو الخارجة، عموديًا على سطحه. يمكن اعتبار عملية تكون فيها المادة المتدفقة إلى النظام والخارجة منه متجانسة كيميائيًا. ^{[ 1 ]} عندئذٍ، تبذل المادة المتدفقة شغلًا كما لو كانت تدفع مكبسًا من السائل إلى داخل النظام. كما يبذل النظام شغلًا كما لو كان يدفع مكبسًا من السائل إلى خارجه. من خلال جدران النظام التي لا تسمح بمرور المادة، يمكن تحديد انتقال الحرارة ( δQ ) والشغل ( δW ) ، بما في ذلك شغل العمود.

تُعنى الديناميكا الحرارية الكلاسيكية بدراسة العمليات التي تحدث في نظام يكون في حالة توازن ديناميكي حراري داخلي ، في البداية والنهاية، دون أي تدفق. وهذا ممكن أيضاً في ظل بعض القيود، إذا كان النظام عبارة عن كتلة من سائل تتدفق بمعدل منتظم. عندئذٍ، ولأغراض عديدة، يمكن اعتبار عملية تُسمى عملية التدفق، وفقاً للديناميكا الحرارية الكلاسيكية، كما لو كان قانون انعدام التدفق الكلاسيكي سارياً. ^{[ 2 ]} في هذا العرض التمهيدي، يُفترض أن الطاقة الحركية للتدفق، وطاقة الوضع للارتفاع في مجال الجاذبية، لا تتغيران، وأن الجدران، باستثناء مدخل ومخرج المادة، صلبة وثابتة.

في ظل هذه الظروف، ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية لعملية التدفق على ما يلي: الزيادة في الطاقة الداخلية للنظام تساوي مقدار الطاقة المضافة إلى النظام من خلال تدفق المادة الداخلة والتسخين، مطروحًا منها مقدار الطاقة المفقودة من خلال تدفق المادة الخارجة والشغل المبذول من قِبل النظام. وبناءً على هذه الظروف، يُكتب القانون الأول لعملية التدفق على النحو التالي:

${\displaystyle \mathrm {d} U=\mathrm {d} U_{\text{in}}+\delta Q-\mathrm {d} U_{\text{out}}-\delta W}$

حيث يشير U _in و U _out على التوالي إلى متوسط ​​الطاقة الداخلية الداخلة والخارجة من النظام مع المادة المتدفقة.

يُنجز نوعان من الشغل: "شغل التدفق" الموصوف أعلاه، والذي يُنجز على المائع في حجم التحكم (ويُسمى أيضًا " شغل الضغط والحجم ")، و"شغل العمود"، والذي قد يُنجزه المائع في حجم التحكم على جهاز ميكانيكي ذي عمود. ويُعبّر عن هذين النوعين من الشغل بالمعادلة التالية:

${\displaystyle \delta W=\mathrm {d} (P_{\text{out}}V_{\text{out}})-\mathrm {d} (P_{\text{in}}V_{\text{in}})+\delta W_{\text{shaft}}}$

بالتعويض في المعادلة أعلاه عن حجم التحكم (cv)، نحصل على:

$$$ W_ {\ نص {رمح}}\،}$

يسمح لنا تعريف المحتوى الحراري ، H = U + PV ، باستخدام هذا الجهد الديناميكي الحراري لحساب الطاقة الداخلية U وشغل PV في السوائل لعملية التدفق بشكل مشترك:

${\displaystyle \mathrm {d} U_{cv}=\mathrm {d} H_{\text{in}}-\mathrm {d} H_{\text{out}}+\delta Q-\delta W_{\text{shaft}}}$

أثناء التشغيل المستقر للجهاز ( انظر التوربينات والمضخات والمحركات )، تكون أي خاصية للنظام داخل حجم التحكم مستقلة عن الزمن. لذلك، تظل الطاقة الداخلية للنظام المحصور داخل حجم التحكم ثابتة، مما يعني أنه يمكن اعتبار d U _cv في المعادلة أعلاه مساويًا للصفر. ينتج عن ذلك معادلة مفيدة لتوليد الطاقة أو متطلباتها لهذه الأجهزة ذات التجانس الكيميائي في غياب التفاعلات الكيميائية .

$// {د} ر}}}$

يوضح الرسم التخطيطي أعلاه هذا التعبير.

• مخطط تدفق العمليات
• معادلة الطاقة للتدفق المستقر / التدفق الأحادي في حالة الاستقرار