热量的可用能及其不可逆损失
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由于不可逆因素的存在实际过程中不可逆因素造成的做功热可用能减小或废热不可用能增加的部分481能量的可用性和可用能thermodynamics某个供热源如高温烟气在某一温度范围内t之间供热量q如图中图412p87面积abcda所示某种工质利用这个热量完成一个可逆循环12341482热量的可用能及不可逆损失图412p87thermodynamics482热量的可用能及不可逆损失max部分转变为功如图中面积12341所示也叫热量火用卡诺因子卡诺循环热效率的表达式429p87thermodynamics任何不可逆因素的存在都必然会使可用能部分减少并使废热有相应的增加供热源和工质在传热过程中存在温差带来的可用能减少和不可逆损失不可逆循环中热量的可用能和不可逆损失482热量的可用能及不可逆损失图413p87thermodynamicsl1不可逆传热过程造成的可用能损失这部分损失变成附加的废热排给环境482热量的可用能及不可逆损失thermodynamics绝热膨胀过程有内摩擦带来的可用能减少和不可逆损失图中过程2l2不可逆绝热膨胀造成的可用能损失变成附加的废热排给环境可用能不可逆损失图414p87482热量的可用能及不可逆损失thermodynamics完全不可逆循环中热量的可用能和不可逆损失绝热压缩过程也有摩擦如图中循环iiiiiiivi所示图415p87482热量的可用能及不可逆损失thermodynamics循环iiiiiiiviqwmaxl4482热量的可用能及不可逆损失thermodynamics总之由于各种不可逆因素的存在使所提供的热量q中实际转变为功的部分比理论上的最大值wmax损失变成附加废热排给环境
The availability of energy: Exergy and Anergy
• 机械能和电能等具有完全的可用性，它们全部是 可用能；
• 热能则不具有完全的可用性，即使通过理想的可 逆循环，热能不能全部而只能部分转变为机械能
• 热能中可用能（即可以转变为功的部分）所占的 比例和热能所处的温度及环境的温度有关
工程热力学A
Engineering Thermodynamics
T
THERMODYNAMICS
第四章 热力学第二定律
(The Second Law of Thermodynamics)
T
THERMODYNAMICS
4-8 热量的可用能及其不可逆损失
(Exergy of Heat and its irreversible Loss)
• 某个供热源（如高温烟气） 在某一温度范围内（Ta和 Tb之间）供热量Q，如图 中（图 4-12 @ P87）面积 a-b-c-d-a所示，某种工质 利用这个热量完成一个可 逆循环1-2-3-4-1
图 4-12 @ P87
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
• 可用能部分 — 热量Q 中 Wmax部分转变为功，如图 中面积1-2-3-4-1所示，也叫热量（火用）, Ex,Q
4.8.1 能量的可用性和可用能
T
THERMODYNAMICS
• 热力学第一定律
– 各种热力过程中总能量在数量上的守恒
• 热力学第二定律
– 各种实际热力过程(不可逆过程)中能量在质量 上的退化、贬值、可用性降低、可用能减少
4.8.1 能量的可用性和可用能
T
THERMODYNAMICS
能量的可用性 —可用能（火用）、不可用能（火无）
• 工质的吸热过程有温差 • 放热过程也有温差 • 绝热膨胀过程有摩擦 • 绝热压缩过程也有摩擦
如图中循环 I-II-III-IV-I所示
图 4-15 @ P87
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
循环I-II-III-IV-I
• 供热量 Q
• 可用能
Wmax-EL1-EL2-EL3 -EL4
• 废热 Q-Wmax+EL1+EL2+EL3 +EL4
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
• 总之，由于各种不可逆因素的存在，使 所提供的热量 Q 中实际转变为功的部分 比理论上的最大值（Wmax= Ex,Q）减少；
• 这减少的部分便是可用能的不可逆损失 （[火用]损）EL（ EL ELi ），损失 变成附加废热排给环境。
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
3. 不可逆损失计算
T
THERMODYNAMICS
• 通过包括供热源、热机及周围环境在内的整个孤立 系的熵增（实际上等于孤立系的熵产）与环境温度 的乘积来计算：
S孤立系 Sg孤立系 ≥0
EL T0 S孤立系 T0 Sg
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
ELi T0
ELi T0
Sgi Sg
• 从而得 EL ELi T0 Sgi T0Sg T0S孤立系
(4-30) @ P88
T
THERMODYNAMICS
5. 可用能损失与功损的区别 • 由不可逆因素造成的可用能损失和由摩擦 造成的功损并不相同 • 比较:
T
THERMODYNAMICS
4. 不可逆损失计算公式 EL T0S孤立系证明：
• 考虑到热机中的工质在完成一个循环后回到了原状态， 因而熵不变，这样
S孤立系 S供热源 S热机 S环境
Srev
0
Q
Wmax T0
ELi Srev 0 Srev
Wmax Q T0 (Sa Sb )
a
b Q T0
a Q
bT
Ex,Q Q T0 Sf
a 1 T0 Q b T
(4-29) @ P87
1 T0 —— 卡诺因子，卡诺循环热效率的表达式 T
不能转变为功 — 废热部分，它将被排给大气
T
THERMODYNAMICS
• 可用能 W ’ = Wmax – EL1
• 废热 Q – Wmax + EL1
• 可用能不可逆损失
EL1 —— 不可逆传热过程造成的可用能损失， 这部分损失变成附加的废热排给环境
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
绝热膨胀过程有内摩擦带来的可用能减少和不可逆 损失（图中过程 2 ~ 3”）
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
2. 不可逆循环中热量的可用能和不可逆损失
• 任何不可逆因素的存在都必 然会使可用能部分减少，并 使废热有相应的增加
• 供热源和工质在传热过程中 存在温差带来的可用能减少 和不可逆损失
图 4-13 @ P87
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
– 可用能损失
– 功损
EL T0Siso T0 (S2 S1)iso
2
WL Qg 1 TdSiso Tm (S2 S1)iso
T
THERMODYNAMICS
• 能量在数量上守恒。所谓的 能量损失，实质上是指能量 质量上的损失，即由可用能 变成废热的不可逆损失
本节 结束
• 可用能
W ” = Wmax – EL2
• 废热
Q – Wmax + E L2
• 可用能不可逆损失
EL2 —— 不可逆绝热膨胀造成的可用 能损失，变成附加的废热排给环境
图 4-14 @ P87
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
TTHERMODYNAMICS 完全不可逆循环中热量的可用能和不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
热能 = 做功热（可用能）+废热（不可用能）
• 可用能的不可逆损失（不可逆损失）：由于不可逆 因素的存在，实际过程中不可逆因素造成的做功热 （可用能）减小或废热（不可用能）增加的部分
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
1. 完全可逆循环中热量的可用能和废热
4.8.1 能量的可用性和可用能
T
THERMODYNAMICS
• 空气和海水等作为天然的环境和巨大热库，具有基本恒定温度 （T0），容纳着巨大的热能；
• 这些温度一致的热能是无法用来转变为动力的，因而都是废热；
• 只要能提供温度高于（或低于）环境温度T0的热能，其中包含 着一定数量的可用能
4.8.1 能量的可用性和可用能
The availability of energy: Exergy and Anergy
• 机械能和电能等具有完全的可用性，它们全部是 可用能；
• 热能则不具有完全的可用性，即使通过理想的可 逆循环，热能不能全部而只能部分转变为机械能
• 热能中可用能（即可以转变为功的部分）所占的 比例和热能所处的温度及环境的温度有关
工程热力学A
Engineering Thermodynamics
T
THERMODYNAMICS
第四章 热力学第二定律
(The Second Law of Thermodynamics)
T
THERMODYNAMICS
4-8 热量的可用能及其不可逆损失
(Exergy of Heat and its irreversible Loss)
• 某个供热源（如高温烟气） 在某一温度范围内（Ta和 Tb之间）供热量Q，如图 中（图 4-12 @ P87）面积 a-b-c-d-a所示，某种工质 利用这个热量完成一个可 逆循环1-2-3-4-1
图 4-12 @ P87
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
• 可用能部分 — 热量Q 中 Wmax部分转变为功，如图 中面积1-2-3-4-1所示，也叫热量（火用）, Ex,Q
4.8.1 能量的可用性和可用能
T
THERMODYNAMICS
• 热力学第一定律
– 各种热力过程中总能量在数量上的守恒
• 热力学第二定律
– 各种实际热力过程(不可逆过程)中能量在质量 上的退化、贬值、可用性降低、可用能减少
4.8.1 能量的可用性和可用能
T
THERMODYNAMICS
能量的可用性 —可用能（火用）、不可用能（火无）
• 工质的吸热过程有温差 • 放热过程也有温差 • 绝热膨胀过程有摩擦 • 绝热压缩过程也有摩擦
如图中循环 I-II-III-IV-I所示
图 4-15 @ P87
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
循环I-II-III-IV-I
• 供热量 Q
• 可用能
Wmax-EL1-EL2-EL3 -EL4
• 废热 Q-Wmax+EL1+EL2+EL3 +EL4
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
• 总之，由于各种不可逆因素的存在，使 所提供的热量 Q 中实际转变为功的部分 比理论上的最大值（Wmax= Ex,Q）减少；
• 这减少的部分便是可用能的不可逆损失 （[火用]损）EL（ EL ELi ），损失 变成附加废热排给环境。
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
3. 不可逆损失计算
T
THERMODYNAMICS
• 通过包括供热源、热机及周围环境在内的整个孤立 系的熵增（实际上等于孤立系的熵产）与环境温度 的乘积来计算：
S孤立系 Sg孤立系 ≥0
EL T0 S孤立系 T0 Sg
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
ELi T0
ELi T0
Sgi Sg
• 从而得 EL ELi T0 Sgi T0Sg T0S孤立系
(4-30) @ P88
T
THERMODYNAMICS
5. 可用能损失与功损的区别 • 由不可逆因素造成的可用能损失和由摩擦 造成的功损并不相同 • 比较:
T
THERMODYNAMICS
4. 不可逆损失计算公式 EL T0S孤立系证明：
• 考虑到热机中的工质在完成一个循环后回到了原状态， 因而熵不变，这样
S孤立系 S供热源 S热机 S环境
Srev
0
Q
Wmax T0
ELi Srev 0 Srev
Wmax Q T0 (Sa Sb )
a
b Q T0
a Q
bT
Ex,Q Q T0 Sf
a 1 T0 Q b T
(4-29) @ P87
1 T0 —— 卡诺因子，卡诺循环热效率的表达式 T
不能转变为功 — 废热部分，它将被排给大气
T
THERMODYNAMICS
• 可用能 W ’ = Wmax – EL1
• 废热 Q – Wmax + EL1
• 可用能不可逆损失
EL1 —— 不可逆传热过程造成的可用能损失， 这部分损失变成附加的废热排给环境
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
绝热膨胀过程有内摩擦带来的可用能减少和不可逆 损失（图中过程 2 ~ 3”）
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
2. 不可逆循环中热量的可用能和不可逆损失
• 任何不可逆因素的存在都必 然会使可用能部分减少，并 使废热有相应的增加
• 供热源和工质在传热过程中 存在温差带来的可用能减少 和不可逆损失
图 4-13 @ P87
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
– 可用能损失
– 功损
EL T0Siso T0 (S2 S1)iso
2
WL Qg 1 TdSiso Tm (S2 S1)iso
T
THERMODYNAMICS
• 能量在数量上守恒。所谓的 能量损失，实质上是指能量 质量上的损失，即由可用能 变成废热的不可逆损失
本节 结束
• 可用能
W ” = Wmax – EL2
• 废热
Q – Wmax + E L2
• 可用能不可逆损失
EL2 —— 不可逆绝热膨胀造成的可用 能损失，变成附加的废热排给环境
图 4-14 @ P87
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
TTHERMODYNAMICS 完全不可逆循环中热量的可用能和不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
热能 = 做功热（可用能）+废热（不可用能）
• 可用能的不可逆损失（不可逆损失）：由于不可逆 因素的存在，实际过程中不可逆因素造成的做功热 （可用能）减小或废热（不可用能）增加的部分
4.8.2 热量的可用能及不可逆损失
T
THERMODYNAMICS
1. 完全可逆循环中热量的可用能和废热
4.8.1 能量的可用性和可用能
T
THERMODYNAMICS
• 空气和海水等作为天然的环境和巨大热库，具有基本恒定温度 （T0），容纳着巨大的热能；
• 这些温度一致的热能是无法用来转变为动力的，因而都是废热；
• 只要能提供温度高于（或低于）环境温度T0的热能，其中包含 着一定数量的可用能
4.8.1 能量的可用性和可用能