第二篇1章 能量系统的火用分析方法讲解

当我们研究的系统涉及化学反应及扩散时，常取完全平 衡状态作为基准状态，此时系统所具有的火用是物理火用 和化学火用之和。
系统的能量的化学火用是系统在 p0 ，T0 条件下对于完 全平衡环境状态因化学不平衡所具有的火用。
对于完全平衡环境状态
EX EX,ph EX,ch
对于不完全平衡环境状态
EX EX,ph
能量＝火用＋火无
引用火用的概念，可以将热力学第一定律表述为：“在 任何能量的转换过程中火用和火无的总和保持不变”。
可以将热力学第二定律表述为:“每种能量都是由火用和火无 两部分所组成，不可能使火无转变为火用而不引起其它变化”。
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
第6章 物理火用
6.1 能量和火用
表2-1-1
不同温度
t
和
Fra Baidu bibliotekt0
下卡诺系数的绝对值
1 T0 T
t,℃ t0,℃
0
-50
-100
-150
-200
-250
0
0
0.2241 0.5775 1.2180 2.7341 10.7991
20
0.0732 0.3137 0.6930 1.3804 3.0075 11.6631
40
0.1464 0.4033 0.8085 1.5428 3.2809 12.5270
卡诺热机的热效率为
c
1
TL TH
当以温度为的周围环境为低温热源时，卡诺机的热效率为
c
1
T0 T
根据卡诺循环和卡诺定理，引出了热火用和热火无的概念
EX,Q
Q(1 T0 ) T
Q EX,Q An,Q
An,Q
Q T0 T
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
6.2 自然环境和环境状态
EX,Q
2

Q1
T0


1 T
2
1 c Q
An,Q
2

Q
T0
1T
显然
Q EX,Q An,Q
T
eX,Q
2

q1
T0

1 T
an,Q
2

q
T0
1T
Ex,Q
T0
S
An,Q
图 2-1-2
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
60
0.2197
0.4929 0.9241 1.7052 3.5543
13.3909
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
ex,q 2
1.5 1
0.5
0 100 200 T0 400 500 600 700 热量火用 和温度T的关系
T (K)
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
6.5 封闭系统的火用
1
1
1
2
2
An,W p0 (V2 V1) 1 p0dV an,w p0 (v2 v1) 1 p0dv
2）．轴功和循环功的火用
E X ,Wsh Wsh
E X ,W0 W0
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
6.4 热量火用和冷量火用 1、热量火用及其在T-S 图上表示
2、冷量火用
习惯上将 T T0 系统传递的热量称为冷量，即 冷量是系统在低于环境温度下通过边界所传递的热量。
因而冷量火用也就是低于环境温度的热量火用。
借可逆机计算冷量火用
EX,QL WA,max
2

1
QL
1

T0 T

2 Q
An,QL QL EX,QL 1 T T0 (S2 S1) Q0
1、自然环境 周围自然环境当作一个具有不变压力 p0 ，不变温度
T和0 不变化学组成的庞大而静止的物系，即便在接受或放出
热量和物质时，其压力、温度和化学组成仍保持不变。称 p0
为环境压力，称 T0 (t0 )为环境温度。
2.环境状态
任何一个系统与环境处于热力学平衡的状态称为环境状态。 热力学平衡包括热平衡，力平衡和化学平衡。当不涉及化学
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
6.3 机械火用 1、机械能火用 2、机械功火用
EXm

1 mc2 2

mgz
P0
P
W
图 2-1-1
1）．体积变化功的火用
可逆
EX,w W p0 (V2 V1 )
ex,w w p0 (v2 v1 )
2
2
2
EX,W pdV p0 (V2 V1) ( p p0 )dV ex,w ( p p0 )dv
高等工程热力学
第2篇 能量系统的火用分析方法
19世纪50年代，克劳修斯在前人研究的基础上，概括 而又确切地阐述了热力学的两个基本定律。但由热力学第 二定律建立起来的能质概念，长期以来却缺乏理论上的认 识，迟迟地未能为工程技术界所接受。直到20世纪50年代， 火用 的概念被正式确立，参数火用 获得国际确认，才 结束了这种不合理状况，能量的品质概念才为越来越多的 人所接受，并开始走向工程应用。
反应或扩散等系统时，系统可以与环境仅处于力平衡和热平衡，
称之为不完全热力学平衡。
当研究涉及化学反应系统，如后面的化学火用时，此时系统
与环境的平衡状态不但涉及力平衡和热平衡，而且还涉及化学
平衡，称之为完全热力学平衡。
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
3、物理火用，化学火用
系统所具有的火用也会因基准状态选取不同而具有不同的 值。当我们研究的系统是不涉及化学反应和扩散的简单可压缩 系统时，常常选取不完全平衡环境状态作为基准状态，此时系 统能量所具有的火用称为能量的物理火用 。
EX ,QL
QL
与热量火用不同，冷量火用流的方向和冷量流
的方向是相反的。
冷量火用 Ex,Q和火无 En,Q 在T－S图上的表示
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
冷量火用也可以写成卡诺系数与该冷量的乘积，即
2
2
EX,QL
c Q
1
；或 ex,qL
c qL
1
或 EX,QL c QL ； ex,qL c qL
火用的概念是进行火用值计算和工程火用分析的理论 基础，它不仅完善、丰富了工程热力学的理论，而且对现 代能源应用科学产生了深远的影响。 西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
我们把在周围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(exergy)或有效能 (available energy)，能量中不能够转变为有用功的那部分能量 称为该能量的火无 (anergy) 或无效能(unavailable energy)