热力学-5火用分析基础

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工程热力学第五章

S g 2
1 1 Q0 ( ) T0 T0
1 1 Exl Q0T0 ( ) T0 S g 2 T0 T0
温差传热引起的火用损失与熵产成正比。
温差传热火用损失
T
1
2
T
1
2
TA
TA
1’
2’
ExQ
T0
TB
ExQ
T0
7
AnQ
5 6
S
AnQ
5 6 8 S
Exl T0 Sg1
Exl ExQA ExQB
5.3.1 温差传热火用损失
1 1 QT0 ( ) TB TA
温差传热是不可逆过程
1 1 S g1 Q( ) TB TA
1 1 Exl QT0 ( ) T0 S g1 TB TA
温差传热火用损失
同理，放热温差传热也是不可逆过程。
δExQ
Wout ExQ
T0 (1 )δQ T
ExQ
T0
δQ Q T0 Q T0 S T
AnQ Q ExQ T0 S
热量火用 ExQ
恒温热源
T
ExQ
T T0 Q(1 ) Q T0 S T
AnQ
T0 T0 S Q T
E xQ
dsg 0
没有功损失，火用总量守恒。不可逆过程：损失。
功损失，火用总量减少，能量品质贬值，火用
火用和火无的基本概念
孤立系统熵增原理
孤立系统火用减火无增
过程进行方向的判据
火用的分类
做功的能力
不平衡势
化学势差温度和压力差速度差位置差浓度差
火用

火用分析基础

火用方程表明，系统提供的热量火用与工质焓火用之和等于系统完成的技术功与火用损失之和。
同理，闭口系统的火用平衡方程为：
eqx (eu 1 x eu2 x )w uel w uwp0(v2v1)
7.5 火用效率与热效率
效率
收益量支出量
火用效率火火用用支收出益量量
① 热力系统 (E)ixn(E)o xutE l
第七章小结
• 火用值计算
• 火用损失
重点
• 火用方程
了解
• 火用效率
第七章完
闭口系统内能的Ex举例
1kg空气，由p1=50bar, t1=17oC, 膨胀到 p2=40bar, t2=17oC, 已知p0=1bar, t0=17oC
求：该膨胀过程对外界的最大有用功
wmaxexu1exu2
exu=?
w
q
w ’’
假定q通过可逆热机作功 w’
w ’’= w + w ’
w’
q'
T0
u1, s1, T1, p1, v1
初态
热一律：
u0, s0, T0, p0, v0 终态
qu0u1w''
热二律：
siso s0s1Tq00 qT0s0s1
w '' u 1 u 0 T 0s1 s0
w q
w ’ w ’’
SS
三、闭口系统内能火用
内能火用—闭口系统从给定状态（p，T）可
逆过渡到与环境相平衡的状态（p0 ，T0 ）时，对外所能做出的最大有用功, 以ExU表示.
p0
闭口系统内能的Ex与An
设一闭口系统（1kg），其状态为 u1, s1, T1, p1, v1

热力学第五章

哪个参数才能正确评价能的价值
焓：绝热节流
p1 p2
h1 = h2
等焓节流
w1
w2
w1 > w2
焓相同，但做功不等。焓相同，但做功不等。
哪个参数才能正确评价能的价值内能：内能：绝热膨胀
u1 = u2
p0 w1 w2 p0
w1 > w2
内能相同，但做功不等。内能相同，但做功不等。
三种不同品质的能量
从可转换成机械能的角度出发能量的组成为环境一定能量中最大可能转换为功的部分500100kjmax293100500414max2931001000707100kj热量温差温差化学化学势差物理温差与压力差物质或物流动能速度差位能位置差扩散浓度差电力电位差水力水位差风力风压差地力压力差波浪压力差与各种不平衡势差有关nq1恒温热源nq卡诺循环的功nqxqxqnqnq微元卡诺循环的功xqnq1q中最大可能转换为功的部分就是exq损失3单热源热机不能作功热ex损失作功能力损失xqt一定qxq51空气由空气由200200经冷却器定压冷却到经冷却器定压冷却到4040试计算空气放出的热量算空气放出的热量火用或空气作出的最大功或空气作出的最大功是是多少
1、可无限转换的能量、
Ex An
无效能
理论上可以完全转换为功的能量高级能量机械能、电能、水能、如：机械能、电能、水能、风能 2、不能转换的能量、理论上不能转换为功的能量环境（大气、海洋）如：环境（大气、海洋） 3、可有限转换的能量 Ex + An 、理论上不能完全转换为功的能量热能、如：热能、焓、内能
3、单热源热机不能作功， T =T0， ExQ′=0 、单热源热机不能作功，
冷量的ExQ′与AnQ′的说明

热力学-5火用分析基础解析

工程热力学5教师：李建明电话：85407591 电子信箱：lijmo@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•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•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 E x 和火无 A n 两部分组成 nx A E E +=nx a e e +=•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•系统出现不可逆过程，d sg 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火用热量火用冷量火用物质或物流火用功源火用电力、水力、风力地力、波浪化学、物理动能、位能扩散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 T 0 的环境条件下，系统（T > T 0 ）所提供的热量中可转化为有用功的最大值，用 E x, Q 表示•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 Q T T E Q A Q T T E Qx Q n Q x δδδδδ1δ0,,0,=-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ST E Q A ST Q E Q x Q n Q x ∆=-=∆-=0,,0,•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系统以恒温 T 供热时，公式同上pv 21 5 4 3 6 T s2 1 5 43 6 ExQ E xQ A nQA nQ•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•热量火用是能量本身的属性，E x, Q 与Q的方向相同•系统吸热时，Q 为正值，d E也为正值，表示系统也xQ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•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 )1(0TT Q E xQ -=Q T T A nQ 0=系统温度恒定不变例 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 T 0 = 300 K ：(1) t A = 420 ℃，t B = 400 ℃；(2)t A = 70 ℃，t B = 50 ℃；(3)t A = 200 K ，t B = 220 K 。

工程热力学第9讲-第二部分复习-工质热力性质及热力过程计算

c p 1.0041.859 0.001 d
Hale Waihona Puke R 0.287 0.4615 0.001d
s c p ln
T p R ln 273 100
湿空气的焓湿图
h 1.005t d (2501 1.863t )
h1 hw
湿球温度tw=绝热饱和温度
h h t tw td
研究蒸气热力过程的依据
1)第一定律
q u w h wt
2)状态参数查图、查表
dh c p dT du cv dT
pv RT
c p cv R
3)过程参数（可逆过程）
q Tds
w w pdv pdv wt wt vdp vdp
研究蒸气热力过程的步骤
研究步骤： (1).利用图表，由已知的初态参数确定未知的初态参数；
(2).利用图表，根据过程特点和已知的终态参数确定未知的终态参数； (3).由初态参数和代入有关公式计算过程中的能量传递、转换量：q，w，wt。
水蒸气图、表的应用
应用： 1.已知某状态任意两个独立参数（p，v，t，u，h，s，x）就能查出其余各参数，并可判别工质的状态。 2.分析计算热力过程中工质状态变化及与外界的能量交换。分析计算的一般步骤：（1）已知任意两个初态参数，查出其它各初态参数（p1，v1， t1，u1，h1，s1，x1）。（2）根据过程条件（定压、定温、定熵、定容）及终态的一个参数，查得终态各参数（p2，v2，t2，u2，h2，s2，x2）。（3）根据初终态参数及过程条件计算能量交换。（4）将过程表示在状态图上（p-v，T-s，h-s…）。

第五章、火用分析基础ppt课件

精品课件
17
5.5 火用效率与热效率火用效率就是火用的收益量与火用的支出量之比，常用 e x 表示。
e x 离进开入系系统统的的各各火火用用值值之之和和＝ ( ( E E x x ) ) o i u n t 1 (E E x l)in
ex实提际供利的用火火用用值值之之和和＝ ( (E Ex x))ta h
精品课件
25
对于一个系统来说，输入系统的价值有：
供给能的价值Cin=供给能的火用单价cinX供给能的火用值(Ex)in；
设备投资费用Ceq；经营管理费用Cad；
输出系统的产品成本Cout=单位产品能的火用成本X产品能的火用
值(Ex)out
输入系统的价值应等于输出产品的成本
c o u t (E x )o u t c in (E x )in C e q C a d
精品课件
2
火用和火无的表示方法： E x , e x A n , a n
E E x An e ex an
能量守恒原理的又一表述
对可逆过程，熵产等于0，没有功损失，能量不贬值，火用的
总量保持守恒；
对不可逆过程，熵产大于0，必然出现功损失，发生能量贬值，
火用的总量不断减小，火无的总量不断增加，即不可逆过程必然伴随火用损失。
例题5－2、5－3、5－4
精品课件
11
5.3 火用损失
一、温差传热引起的火用损失
E xQA
Q (1
T0 ) TA
E xQB
Q (1
T0 ) TB
El
E xQA
E xQB
Q
T

火用分析

目前的资源综合利用分析与评价主要是基于统计数据的指标评价。

较早出现并具有影响力的评价指标有联合国可持续发展委员会建立的可持续发展指标，蔡邦成等基于生态环境和经济可持续发展理念建立了区域可持续发展评价指标。

但是，指标评价存在数据统计工作繁多、指标计算过程复杂、不能给出量化的评价结果等问题。

在能源利用效率研究中，一直困扰人们的也是如何将非同质的能源投入要素、不同产出进行加总和成本分摊等问题，火用概念的提出解决了这个问题。

火用指能量、物质系统在只有环境作用的条件下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大可用功。

火用为正确评价不同形态的能量、不同状态的物质的价值提供了统一的标尺[1]。

火用分析是根据进出系统火用的不平衡发现不可逆火用损失，对系统物质、能量利用状况给出全面评价的分析方法。

火用分析不仅已被广泛应用于冶金、电力、水泥等高耗能生产过程和设备的能量系统的分析和评价,火用理论也成为了评价地球和国家资源环境状况的重要工具。

建设资源节约、环境友好两型社会要求的是节约原材料、能源、资金、劳动力以及环境资源等的广义节能。

广义节能必须要有新的科学有效的分析和评价方法对经济系统进行评价和监督。

将火用理论与微观经济学结合，形成了交叉学科—火用(热)经济学。

火用(热)经济学在生产系统的综合经济性分析方面得到了应用。

张超等在单位火用成本基础上，分析了电厂热力系统在设计工况以及变工况下火用成本的分布规律，并且定量研究了各种运行参数对设备火用成本的影响。

而运用火用(热)经济学对运行机组各设备的火用成本变化进行在线监督，已经是热力系统故障诊断的主要方法之一。

但是，火用经济学分析中总是存在热力学参数火用与经济学量货币资金的分别衡算问题，衡算方程多，计算过程复杂。

目前，火用经济学分析的应用研究主要集中在只有单一火用流输入的火电厂或者供热系统的火用成本分析、经济性优化和故障诊断等方面。

生产资料(土地、原材料和能源等)、资金和劳动力是生产系统的3 个要素资源，随着环境恶化，生产的环境成本越来越高，环境资源也成为了生产要素资源之一。

火用分析资料重点

2. 状态公理（1）表述：对于组成一定的物质系统，若系统与外界有n种功量的传递，那么确定该系统平衡的状态参数有n+1个。（2）加1是考虑了系统与外界的热量交换。（3）根据“状态公理”:
独立状态参数数目= 功的模式（n） + 1
对于简单可压缩系统: 只有一种模式,即容积功. 这样:
独立状态参数数目= 1+1=2 所以:
A
压力可用绝对压力、表压力或真空度三种
形式表示。
① 绝对压力P：工质的真实压力，为状态参数
② 表压力Pg：绝对压力高出当地大气压的数值
Pg P Pb 或
P Pg Pb
Pb ——大气压力（不恒定）
压力测量仪表
常用单位
压力表
MPa
U型管测压计
Pa或mmH2O或mmHg
③ 真空度P：绝对压力低于当地大气压的数值。
② T代表状态
100
212
3）比容和密度（、）
V m3/kg
m
1 m kg/m3 V
0
32
4）强度量和广延量
强度量（压力、温度和比容）与物质的量无关,
广延量正比于物质的量（如V ）
1-3 平衡状态状态公理状态方程
1. 平衡状态（1）定义: 系统中温度和压力处处相等，且不随时间发生变化，称热力平衡状态（所谓力平衡和热平衡）。（2）保持平衡状态条件: 系统内部以及系统与外界之间不存在任何不平衡势差（系统与外界处于热力平衡）。（3）意义: 在热力学中,只有平衡状态才能由一组具有确定数值的状态参数进行描述。又称静热力学。
P
P1
1
图中:
点--- 状态
P2
2

第五章—火用分析基础

wmax ex1 ex 2 u1 u2 T0 s1 s2 p0 v1 v2
●开系工质物理火用（焓火用）
对稳流系统，仍取系统和环境组成孤立系统，则系统由初始状态可逆过渡到环境状态所完成的最大技术功（轴功），即为开系工质的物理火用，也称为焓火用。
（Ex）理论上可以完全转换为功的能量——高级能量如：机械能、电能、水能、风能（An） 2、不能转换的能量理论上不能转换为功的能量——无效能如：环境（大气、海洋）（Ex+An） 3、可有限转换的能量理论上不能完全转换为功的能量——低级能量如：热能、焓、内能
●
火用和火无的概念
1、在环境条件下，任一形式的能量中理论上能够转变为有用功的那部分能量，称为该能量的火用，用Ex表示，单位: J、kJ；
T0 Q T
● ExQ’与Q’、T、T0有关，T0=const，ExQ’/Q’是T
的单值函数。
T↓→ ExQ’ ↑ T →0 ， ExQ’ → ∞
T↑→ ExQ’ ↓
对外界作功；
T →T0 ，ExQ’ → 0
◆ 系统吸热，放出冷量火用，δQ’>0， ExQ’ >0 ，系统
◆ 系统放热，吸入冷量火用，δQ’<0， ExQ’ <0 ，外界
T const
ExQ T0 Q 1 T
T0 AnQ Q T0 S T
● ExQ取决于Q、T和T0
◆ 当T0＝Const，单位热量火用（ExQ/Q）只是
T的单值函数
◆ 高温热源较低温热源具有更大的可用性
● AnQ与T0、△S有关
● Q<0，ExQ<0，系统放热，系统也放出了火用，

工程热力学5 火用与热力学定律的综合讲解

第五章火用与热力学定律的综合●当系统与其环境处于热力不平衡状态，则在势差的作用下，系统的状态要发生变化。

势差可用以做功，但若系统的变化是不可逆的，将会招致功的损失。

那么系统从一个状态变到另一个状态，究竟应该做多少功？●只要适当选取系统，我们通常所见的大多数变化都可看成是在温度、压力一定的环境中进行的，系统只与环境这个单一热源交换热量。

当系统最终与环境达成热力平衡时，系统的一切变化停止，不再具有做功能力。

那么系统初始具有多大的做功能力？变化过程中又损失了多少？●热力学中将处于一定环境中的系统所能做的最大功称为可用能，简称火用，以x E表示。

因此，上面的问题变成某一状态的系统的可用能或火用是多少？实际的状态变化过程中的火用损失是多少？这些问题单靠哪一个热力学定律解决不了，必须将热力学的几个定律综合起来研究。

5.1 热力系的火用5.1.1设系统处于温度为0T ，压力为0p 的环境中，且只与其交换热量。

当系统在由状态1变化到状态2过程中，吸热Q ，内能变化U ∆，熵变S ∆。

则其所做的功由热力学第一定律数学表达式（3-18a ），有U Q W ∆-=（A ）又由热力学第二定律数学表达式（4-13a ），有0T Q S ≥∆ （B ）其中，等号对应着可逆变化，不等号对应着不可逆变化因此，将式（B ）代入式（A ）可得U S T W ∆-∆≤0即()S T U W 0-∆-≤令S T U F 0-=（5-1）则有21F F F W -=∆-≤ （5-2）因此，系统由状态1变化到状态2所能作的最大功 21max F F W -= （5-3）当且仅当系统的变化过程是可逆的才能得到。

由于环境温度0T 为常数，所以F 也是一个状态函数。

故系统所能作的最大功等于状态函数F 值的减少。

S T U F 0-=表明只有部分内能可转化为功。

闭口系统的火用按定义是系统由某一状态（S U ,）一直变化到最终与环境达到热力平衡的状态（00,S U ）所能作的最大功，则由式（5-3），有0F F E x -=亦即)()(0000S T U S T U E x ---= （5-4）显然x E 也是一个状态函数，因为000S T U -为一常数。

火用(exergy)及火用分析课件PPT

各种不同的火用损失
• 总火用损失与局部火用损
Charging
Storing
Discharging
a
d
Q1,1
Q1,2
Q1,3
b
c
I Ii i
各种不同的火用损失
• 外部火用损失
– 系统和环境之间温度、压力、浓度或成分等不平衡引起
– 可以避免的
• 内部火用损失
– 实际过程需要一定的驱动力，温差、压差、化学势差
根据总能量系统的特点，各子系统的复杂程度和精确度，选择参考环境模型
状态量根据需要将总能量系统分成尽可能多的子系统
稳定流动系统工质的火用（焓火用）
能效率和火用效率的比较
可正可负稳定流动系统、任何循环
火用损失和火用平衡方程式
• 火用损失（exergy consumption）在任何非可逆过程中，必然发生火用向火无的转变，并使火用的总量减少，这部分减少的火用称为火用损失。
几个火用损的例子
有限温差传热过程
XH
Q1
T0 TH
TH>TL
TH δQ
TL
XL
Q1
T0 TL
IXHXLT0QT1LT1H
几个火用损的例子
有摩阻耗散的火用损失
IQ XQ Q 1T T 0 Q T T 0
换热器的火用损失
IT0QT 1LT1 HT0QTT HH TT LL
火用平衡
25º
Charging
Disharging after1 day( case A) Disharging after100 day( case B)
35º 5000kg
25º
75º 1000kg

第五热力学基础

引言宏观描述方法与微观描述方法
一、热学的研究对象及其特点热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学。它与力学、电磁学及光学一起共同被称为经典物理四大柱石。宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子（例如分子、原子等）都处于永不停息的无规热运动中。布朗粒子的无规则运动。正是大量微观粒子的无规热运动，才决定了宏观物质的热学性质。热物理学渗透到自然科学各部门，所有与热相联系的现象都可用热学来研究。
温度的概念较复杂，它的本质与物质分子的热运动有密切的关系。温度的高低反映分子热运动的激烈程度。在宏观上，我们可以用温度来表示物体的冷热程度。温度的数值表示方法叫作温标，常用的温标有：
（1）热力学温标T，SI制，单位：K(开尔文)
（2）摄氏温标t，单位：º C(度)，规定：纯水的冰点和沸点温度分别为0º C和100º C。
二、宏观描述方法与微观描述方法
1、宏观描述方法：热力学方法热力学是热物理学的宏观理论，它从对热现象的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发，应用数学方法，通过逻推理及演绎，得出有关物质各种宏观性质之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。对于任何宏观的物质系统。不管它是天文的、化学的、生物的……系统，也不管它涉及的是力学现象、电学现象……只要与热运动有关，总应遵循热力学规律。
I (P 1 , V! , T 1)
P2
II ( P2 ,V2 , T2 )
V1
O
V2
V
3．热力学第零定律
在不受外界影响的情况下，只要右图中A和B 同时与C处于热平衡，即使A和B没有热接触，它们仍然处于热平衡状态，称为热力学第定律告诉我们，互为热平衡的物体之间存在一个相同的特征——它们的温度相同。因而也称之为热平衡定律。

《火用分析基础》课件

结论
1 重要意义
火用分析对火灾调查和预防具有重要意义。
2 技术要求
3 学科发展
火用分析要求技术水平高、知识面广。
火用分析是一个不断发展的学科，新的技术和方法不断涌现。
撰写火灾调查报告
撰写火灾调查报告，提供防控策略建议。
火用分析工具
数值模拟
通过计算机建立数学模型，模拟火灾场景，预测火场发展趋势。
实验室测试技术
通过对火场残留物的化学分析，确定火场发生的燃烧反应种类、温度区间、燃烧持续时间等参数。
火点检测仪
可用于检测火场温度分布、烟气成分、烟气流速等参数。
火灾模拟软件
火用分析基础知识
点燃温度
指燃料开始燃烧的最低温度。
燃料种类
常见燃料有固体、液体、气体等，不同种类的燃料在燃烧性质方面也有所不同。
燃烧反应
燃料与氧发生化学反应产生的热、光和气体等现象的总称。
氧浓度和温度影响
不同氧浓度和温度的条件下，燃烧的反应速度和热量释放量也有所不同。
火用分析的操作流程
1
建立火灾调查模型
2
建立火灾调查的数学模型和物理模型。
3
确定火灾发确定火灾发生的位置、起
因和传播特点。
5
模型验证
6
验证火灾模型的合理性和可靠性。
7
收集现场信息
收集和记录火灾现场的各类信息。
确定火场容积和温度分布
测算火场容积以及温度分布情况。
建立火灾模型的物理过程
建立火灾模型的物理过程，求解火场发展的规律。
模拟火场的发展和热力参数的变化，通过综合分析数据来确定火灾发生原因。
火用分析案例分析
火灾原因分析

第三章火用分析法

第三章分析法建立在热力学第一定律基础上的能量平衡法只能确定能量数量的损失和能量利用率。

因此它不能反映出过程在能量质量上的损失，当然也不能解释能量消耗的真正原因，不能全面评价过程能量利用情况。

因此，还必须联合应用热力学第一、二定律，建立新的热力学分析法──分析法。

本章根据热力学第一、二定律阐述的定义、分类、数学表达式及计算方法，并讲述分析的基本方法和在化工过程中的应用。

3.1 的定义及其构成3.1.1 的定义在第一章中已简略说明了的物理意义，现首先对物系的给出准确定义。

物系处于一定的热力学状态下，当其在一定的自然环境状态下，经历完全可逆过程，最终与（自然）环境建立完全的热力学平衡。

此时物系总能量中理论上可作出的最大有用功，称为该物系在所处状态下具有的。

在一些文献中，又称可用能、有效能、有用能等。

与的定义相对应，物系从给定状态完全可逆地变化到基准状态（寂态）时，其总能量中理论上不能转化为有用功的部分，称为，也称寂态能、无效能。

为了将此定义中（自然）环境与热力学中泛指的环境相区别，以后将其称为周境。

上述定义中所谓完全热力学平衡，系指：（1）热平衡：即物系的温度变化到与周境的温度完全相同，无温差；（2）力平衡：即物系的压力变化到与周境的压力完全相同，无压差；（3）相平衡：即物系的相态变化到与周境的相态完全相同；（4）化学平衡：即物系的化学物质和组成变化到与周境的化学物质和组成完全相同。

这里还需注意：（1）所谓完全可逆，指物系经历的一切变化，包括内部变化以及和周境间发生的变化都必须可逆；（2）是指总能量中理论上所能作出的最大有用功，这就要求物系从给定的状态变化到周境状态时，一切过程均须可逆，从而使得在一定周境状态下，物系的为唯一确定值；（3）是物系的热力学性质，是状态函数，但与U、H、S等不尽相同。

除取决于物系本身的状态外，还与规定的周境状态有关，所以是一个复合状态函数。

3.1.2 物系的基准状态和周境由的定义得出，当物系与周境建立了完全的热力学平衡时，其为零。

5-热力学第二定律演示图(对冷量火用的理解补充、火用分析)

或写成
1A2
T2 T1
T
a
b g A
2
d
c
f
B
s
qi 0 i 1 Ti
n

q
T

2 B1

q
T
0
即
T
q
0
强调：此时T是从可逆循环中引出的，故应理解为T是热源的温度。
第 5 章
热力学第二定律
5.3.2 克劳修斯不等式
上面得到的两个积分式可合写为
T
q
0
可用此式作为工质循环的判据: ① 若为可逆循环，则工质在循环过程中的传热量 (工质吸热,热
第 5 章
热力学第二定律
5.2.3 卡诺定理
5.2.4卡诺定理卡诺定理1: 在两不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，它们的
热效率都相等，且与工质的性质无关。即
tr tc f (T1 , T2 )。
卡诺定理2: 在两不同温度的恒温热源间工作的一切不可逆热机,它们的循环热效率都小于可逆热机的热效率。即 η
1
d
2
c
循环, 应满足
T
或
q
fBLeabharlann s0 qirrev
T
1 A2

qrev
T
2 B1
0
或

qrev
T
1B 2

qirrev
T
T
1 A2
或
qrev
T
1B 2
s2 s1 s
所以有
s2 s1
1A2

q
表明: 传热量除以传热时热源的温度, 若工质的熵变量等于其值则为可逆过程,若工质的熵变量大于其值则为不可逆过程,若工质的

工程热力学课件第5章火用分析基础

热力学第一定律的应用
在工程热力学中，热力学第一定律用于分析热力系统中的能量转换和平衡，是火用分析的基础。
火用与热量转换
火用的定义
火用是指一种能量的度量单位，表示能量中可用于有用功的部分。
热量转换与火用的关系
热量转换过程中，火用的变化量等于系统能量的变化量。因此，通过分析热量转换过程中火用的变化，可以了解能量的利用效率和损失情况。
通过火用分析，我们可以评估循环的热效率和火用效率，从而找出提高循环效率的途径。例如，通过改进循环结构、优化操作参数等方式，可以提高循环的火用效率，从而实现能源的高效利用和减少能源浪费。
04
火用分析与热力学系统
热力学系统的分类
开口系统
与外界有物质交换的热力学系统，包括质量流和能量流。
闭口系统
工程热力学课件第5章火用分析基础
contents
目录
• 火用分析概述 • 火用与热力学第一定律 • 火用与热力学第二定律 • 火用分析与热力学系统 • 火用分析与热力学过程
01
火用分析概述
火用的定义
火用
表示能量品质的一种度量，是能量的可用部分，是能量中能够转化为有用功的部分。
火用值
衡量能量品质高低的物理量，其值越高，能量的品质越高，反之则越低。
提高火用效率的方法
通过改进设备、优化工艺参数、采用先进的热力学循环等方式可以提高火用效率，降低能量损失，提高能源利用效率。
火用效率与环境温度的关系
环境温度对火用效率有一定影响，不同环境温度下理想过程火用不同，因此需要根据实际情况进行火用效率的计算和评估。
感谢您的观看
THANKS
节能减排
通过火用分析，可以发现能源利用中的浪费和排放问题，提出相应的节能减排措施。

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工程热力学
5
教师：李建明电话：85407591电子信箱：lijmo@
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
•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
•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E x 和火无A n 两部分组成n
x A E E +=n
x a e e +=
•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
•系统出现不可逆过程，d s
g 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
火
用
热量火用
冷量火用
物质或物流火用
功源火
用
电力、水力、风力
地力、波浪
化学、物理
动能、位能
扩散
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T 0 的环境条件下，系统（T > T 0 ）所提供的热量中可转化为有用功的最大值，用E x, Q 表示
•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Q T T E Q A Q T T E Q
x Q n Q x δδδδδ1δ0,,0,=-=⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=
S
T E Q A S
T Q E Q x Q n Q x ∆=-=∆-=0,,0,•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
系统以恒温T 供热时，公式同上
p
v 2
15436T s 215436E
xQ E xQ A nQ
A nQ
•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T
0有关外，
还与 S 有关
•热量火用是能量本身的属性，E x, Q 与Q的方向相同
•系统吸热时，Q 为正值，
d E
也为正值，表示系统也xQ
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
•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)1(0T
T Q E xQ -=Q T T A nQ 0=系统温度恒定不变
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)t A= 420 ℃，t B= 400
℃；(2)t
A = 70 ℃，t B= 50
℃；(3)t
A = 200 K，t B= 220
K。

解：火用损失∆E xQ = T 0∆S iso
(1) T A = 693 K ，T B = 673 K T A > T B > T 0，热量由A 传向B
kJ 287.110069316731300110=⨯⎪⎭⎫
⎝⎛-⨯=⎪
⎪⎭⎫
⎝⎛-
=∆Q
T T T E A B xQ
kJ
308.210034313231300110=⨯⎪⎭⎫
⎝⎛-⨯=⎪⎪
⎭⎫
⎝⎛-
=∆Q
T T T E A B xQ (2)K 323K
343==B A T T
kJ 636.1310022012001300110=⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆Q T T T E B A
xQ (3) 由于T A < T B < T 0，热量由
B 传向 A
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•定义
–温度低于环境温度T
0 的系统
（T <T
0 ），吸入的热量Q
时作出的最大有用功，用E x, Q'表示
Q T T E Q A Q T T E Q x Q n Q x '=-'='⎪⎭
⎫ ⎝⎛-='
''δδδδδ1δ0,,0,•冷量火用与冷量火无
•低温下的火用值较高温下的火用更大)1(0T
T Q E Q x -'='Q T T A Q n '='0系统温度恒定不变
•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 v 21543
6T s 345126E xQ'E xQ'Q'Q'
•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)()()(00000V V p S S T U U E x -+---=
)()(000S S T H H E x -+-=•开系工质物理火用
•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
5.3.1 温差传热引起的火用损失Q
T T T E E E A B QB
x QA x l ⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-=-=110,,
T
s 3
451261'
2'T A
T B T s
3451264'3'T'0T 0T 0
5.3.2摩擦引起的火用损失g
l
l S T T W T E ∆==000T s 34512
63'
T A T
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
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
表示
之比，用h
ex
•对于可逆过程，火用效率等于1
•对于不可逆过程，小于1
h ex = 实际利用火用值之和
提供的火用值之和离开系统的各火用值之和进入系统的各火用值之和h ex =
•热力循环的热量火用效率
•热效率c
t xQ exQ E W h h h ==Q
W t =h •卡诺循环热效率Q E xQ
t =
h
•作业
P145:
2、3。