热力学-5火用分析基础

同样大小的传热温差，低温传热 时火用损失最大
5.2.3 冷量火用 Fra Baidu bibliotek 定义
–温度低于环境温度 T0 的系统 （T <T0 ），吸入的热量 Q0 时作出的最大有用功，用 Ex, Q' 表示
• 冷量火用与冷量火无
δE x , Q T0 1 δQ T T0 δQ T
• 开系工质物理火用
Ex ( H H 0 ) T0 ( S S0 )
• 在一定环境条件下，给定 状态时系统作出有效功的 最大能力，称为最大有用 功。在环境确定的条件下， 系统最大有用功的数值仅 决定于给定的初始状态
5.3 火用损失
• 如果实际过程所完成的功量 小于系统所提供的火用值， 就意味着过程中有火用损失
解：火用损失 ExQ = T0Siso
(1) TA = 693 K，TB = 673 K TA > TB > T0，热量由 A 传向 B
E xQ 1 1 T0 Q T T A B 1 1 300 100 1.287 kJ 673 693
δAn , Q δQ δE x , Q
ExQ
T0 Q(1 ) T
AnQ
T0 Q T
系统温度 恒定不变
• 低温下的火用值较高温下的 火用更大
• 系统吸热放出冷量火用，利 用它对外作功；系统放热， 则得到冷量火用，这时外界 提供最小有用功 • 冷量火用的方向总是和热流 方向相反
p 4 ExQ' 1 5
T 3
2 1 Q' 6 Q'
4 ExQ'
3
2 5 6 s
v
•冷量火用数值上可以大于热 量本身，冷量火用更珍贵 •超低温系统可以获得很大 的有用功
5.2.4 物质或物流火用 • 只讨论物理火用 • 闭系工质物理火用
Ex (U U 0 ) T0 ( S S0 ) p0 (V V0 )
TA 1 2
T0
4
5
3
6
3'
s
5.3.3 能级与能量贬值原理 • 能级——能量火用值与能量 数量的比值 • 热量的数量并未减少，但是 Q 中的热量火用减少了，热 量的“质量”降低了，这就 是能量贬值原理
5.4 火用方程
• 在热力过程中，热力系统的 能量保持守恒，系统的火用 值也应保持平衡，其平衡方 程式称为火用方程
系统以恒温 T 供热时，公式同上
p 2
T 1 ExQ 3
6 4 3 2
1
4
ExQ
AnQ
5
AnQ v
5 6 s
• 热量火用是热量 Q 所能转 换的最大有用功，其值取 决于热量 Q 的大小，传热 时的温度和环境温度 • 当环境状态一定时，单位 热量的火用值只是温度 T 的 单值函数
• 高温下的热能较低温下的 热能具有更大的可用性， 可完成更多的有用功 • 热量火无除了与T0有关外， 还与S 有关
• 电能、机械能在理论上可以 百分之百地转化为其他形式 的能，所以是可用能 • 大气、海洋等环境物体的热 力学能是不可用能 • 火用——能量的做功能力
• 如何确定火用
–以给定环境为基准，在该环 境状态下火用值为零 –做功过程是完全可逆过程， 这样才能获得理论功 –过程中，除环境外，无其他 热源或功源参与作用，功全 部由物质的能量转化而得
热量火用
冷量火用
火用
化学、物理 动能、位能 扩散
物质或物流火用
功源火用
电力、水力、风力
地力、波浪
5.2.1 功源火用 • 电能、水力能、风能等功源 可以百分之百地被用以完成 功，都可以直接转化为机械 能，理论上功源火用值与功 源总能量相等
5.2.2 热量火用 • 定义
–温度为 T0 的环境条件下，系 统（T > T0 ）所提供的热量 中可转化为有用功的最大值， 用 Ex, Q 表示
5.5 火用效率与热效率 • 火用效率
– 火用的收益量与火用的支出量
之比，用 hex 表示
• 对于可逆过程，火用效率等 于1 • 对于不可逆过程，小于 1
hex = hex =
离开系统的各火用值之和
进入系统的各火用值之和 实际利用火用值之和 提供的火用值之和
•热力循环的热量火用效率
hexQ ht W E xQ h c
• 系统出现不可逆过程，dsg大 于 0，必然有机械能损失， 体系做功能力降低，即必然 有火用损失，有火无增量 • 火用损（ 或火无增）可以作 为不可逆尺度的又一个度量
• 5.2 火用值的计算
– 火用的基本含义是表示系统
的理论做功能力 –系统之所以具有做功能力， 是由于系统与环境之间存在 着某种不平衡势
• 如果以环境为冷源，系统为 热源，依照热力学第二定律， 热量火用和热量火无分别为
δE x , Q T0 1 δQ T T0 δQ T
δAn , Q δQ δE x , Q
• 对于循环，由于各过程是可 逆的，热量火用和热量火无 分别为
E x , Q Q T0 S An , Q Q E x , Q T0 S
• 火用是系统由任一状态经可
•
逆过程变化到与给定环境状 态相平衡时所做的最大理论 功 火无是一切不能转换为火用 的能量
• 任何能量 E 都由火用 Ex 和 火无 An 两部分组成
E E x An
e ex an
• 能量的可转换性、火用和 火无
–对于可无限转换的能量，火无 等于 0，如机械能、电能全为 火用，即能量等于火用 –对于不可转换的能量，火用等 于 0，如环境介质中的热能全 为火无
W ht Q
E xQ Q
•热效率
•卡诺循环热效率 ht
• 作业 P145: 2、3
5.3.1 温差传热引起的火用损 失
El E x , QA E x , QB 1 1 T0 Q T T A B
T
TA TB
T
1 1' 2
2' 3 6 T'0 T0 4' 3' 3 6
1
2
T0
4
5
4
5
s
s
5.3.2 摩擦引起的火用损失
T
Wl El T0 T0 S g T0
(2) TA 343 K
TB 323 K
E xQ 1 1 T0 Q T T A B 1 1 300 100 2.308 kJ 323 343
(3) 由于TA < TB < T0，热量由 B 传向 A
E xQ 1 1 T0 Q T T B A 1 1 300 100 13.636 kJ 200 220
T0 AnQ Q T
系统温度 恒定不变
• 高温下的热能较低温下的热 能具有更大的可用性，可完 成更多的有用功
例 5-1 火用损失计算
–求下列情况下由不可逆传热 造成的火用损失，设 Q = 100 kJ，环境温度 T0 = 300 K：(1) tA = 420 ℃，tB = 400 ℃；(2)tA = 70 ℃，tB = 50 ℃；(3)tA = 200 K，tB = 220 K。
•热量火用是能量本身的属性， Ex, Q 与 Q 的方向相同 • 系统吸热时，Q 为正值， dExQ也为正值，表示系统也 吸收了火用（外界消耗功）， 反之，系统放热时，也放 出了火用（外界得到功）
•热量火用是过程量，环境状 态一定时还与系统供热温度 变化规律有关
ExQ
T0 Q(1 ) T
工程热力学
5 教师：李建明 电话：85407591 电子信箱：lijmo@sohu.com 2010年2月
5 火用分析基础
5.1 火用和火无的基本概念
• 热能中有可用能和不可用 能 • 热能转换机械能的最大能 力为多大？受什么限制？
•能量不仅有数量，还有品质 • 可用能——就是可以连续地 全部转变为功的能 • 不可用能——不可能转变为 功的能 • 按照转变为功的可能性，可 以把能分为可用能和不可用 能两大类