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：
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 (h=u+pv)，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。
