2.3 内能Internal Energy2.3.1 为什么需要内能这个概念已经知道热量表示能量的传递热量不能储存在物体内部。那么一个很自然的问题出现了物体内部真正储存的能量是什么热力学将这部分能量定义为内能Internal Energy。因此内能是物体本身具有的一种能量而热量只是改变内能的一种方式。例如一杯水从 20 ℃ 加热到 80 ℃。可以说水吸收了热量水的内能增加了。当加热停止后热量的传递过程结束但增加的内能仍然保留在水中。2.3.2 内能的物理本质内能来源于物质内部微观粒子的运动和相互作用。主要包括两部分分子无规则运动产生的动能平动转动振动分子之间相互作用产生的势能因此内能 微观动能 微观势能。这里强调微观因为内能不包括物体整体运动或整体位置带来的能量。2.3.3 哪些因素会影响内能对于大多数工程流体来说内能主要受以下因素影响1温度温度升高分子平均动能增加因此内能通常增加。这是最主要的影响因素。2物质状态即使温度相同不同相态的内能也可能不同。例如100 ℃ 的液态水和 100 ℃ 的水蒸气。两者温度相同但水蒸气具有更高的内能。原因是液态水变成蒸汽时需要吸收大量能量来克服分子间作用力这部分能量储存在分子势能中。这也是后续学习潜热时的核心思想。3物质种类不同物质具有不同的分子结构因此在相同温度下其内能变化规律也不同。例如空气、水、乙二醇的比热各不相同同样升高 1 ℃内能增加量并不一样。2.3.4 为什么 CFD 很少直接使用内能既然内能能够表示系统储存的能量为什么 Fluent 的能量方程却更多使用焓Enthalpy原因在于流体与固体最大的区别是——流体会流动。当流体流经控制体边界时不仅携带内能还需要克服压力推动前方流体进入新的空间。因此对于流动问题仅考虑内能是不够的还必须考虑这部分与压力有关的能量。于是工程热力学引入了一个新的状态量这就是焓Enthalpy。可以把它理解为焓 内能 流体为了流动所需要携带的压力做功能量。因此在涉及流动的工程计算中焓比内能更加方便这也是 Fluent 采用焓作为主要能量变量的原因。下一节将专门讨论焓的定义和物理意义。2.3.5 本节小结内能是物体内部储存的能量由分子运动和相互作用产生。内能属于状态量能够保存在系统中热量只是改变内能的一种传递方式。温度、相态和物质种类都会影响内能。对于流动问题仅考虑内能不足以描述流体携带的全部能量因此工程热力学进一步引入了焓这一状态量。