第二篇1章--能量系统的火用分析方法.ppt

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高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系1919世纪世纪5050年代，克劳修斯在前人研究的基础上，概括而年代，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。

直到迟地未能为工程技术界所接受。

直到2020世纪世纪5050年代，年代，火用火用的概念被正式确立，参数的概念被正式确立，参数火用火用获得国际确认，才结束了这获得国际确认，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，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。

并开始走向工程应用。

火用火用的概念是的概念是进行行火用火用值计算和工程算和工程火用火用分析的理分析的理论基基础，它不，它不仅完善、丰富了工程完善、丰富了工程热力学的理力学的理论，而且，而且对现代能代能源源应用科学用科学产生了深生了深远的影响。

的影响。

第第22篇篇能量系统的能量系统的火用分析火用分析方法方法高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系我我们把在周把在周围环境条件下任一形式的能量中理境条件下任一形式的能量中理论上能上能够转变为有用功的那部分能量称有用功的那部分能量称为该能量的能量的火用火用（exergyexergy）或有效能或有效能（availableenergy）（availableenergy），能量中不能能量中不能够转变为有用功的那部分能量称有用功的那部分能量称为该能量的能量的火无火无（anergyanergy）或无效能或无效能（unavailableenergy）（unavailableenergy）能量火用火无能量火用火无引用火用的概念，可以将引用火用的概念，可以将热力学第一定律表述力学第一定律表述为：

“在任在任何能量的何能量的转换过程中火用和火无的程中火用和火无的总和保持不和保持不变”。

可以将可以将热力学第二定律表述力学第二定律表述为:

“:

“每种能量都是由火用和火无每种能量都是由火用和火无两部分所两部分所组成，不可能使火无成，不可能使火无转变为火用而不引起其它火用而不引起其它变化化”。

高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系第第66章章物理物理火用火用6.16.1能量和火用能量和火用卡卡诺热机的机的热效率效率为当以温度当以温度为的周的周围环境境为低温低温热源源时，卡，卡诺机的机的热效率效率为根据卡根据卡诺循循环和卡和卡诺定理，引出了定理，引出了热火用和火用和热火无的概念火无的概念高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系6.26.2自然自然环境和境和环境状境状态11、自然、自然环境境周围自然环境当作一个具有不变压力，不变温度周围自然环境当作一个具有不变压力，不变温度和不变化学组成的庞大而静止的物系，即便在接受或放出热和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。

称量和物质时，其压力、温度和化学组成仍保持不变。

称为环境压力，称为环境压力，称为环境温度。

为环境温度。

任何一个系统与环境处于热力学平衡的状态称为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环境状态。

2.2.环境状境状态热力学平衡包括热平衡，力平衡和化学平衡。

当不涉及化学热力学平衡包括热平衡，力平衡和化学平衡。

当不涉及化学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，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，称之为称之为不完全热力学平衡不完全热力学平衡。

当研究涉及化学反当研究涉及化学反应系系统，如后面的化学火用，如后面的化学火用时，此，此时系系统与与环境的平衡状境的平衡状态不但涉及力平衡和不但涉及力平衡和热平衡，而且平衡，而且还涉及化学涉及化学平衡，称之平衡，称之为完全完全热力学平衡力学平衡。

高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系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统能量所具有的火用称为能量的物理火用物理火用。

33、物理火用、物理火用，化学火用化学火用对于不完全平衡于不完全平衡环境状境状态对于完全平衡于完全平衡环境状境状态当我当我们研究的系研究的系统涉及化学反涉及化学反应及及扩散散时，常取完全平，常取完全平衡状衡状态作作为基准状基准状态，此，此时系系统所具有的火用是物理火用和所具有的火用是物理火用和化学火用之和。

化学火用之和。

系系统的能量的的能量的化学火用化学火用是系是系统在在，条件下条件下对于完于完全平衡全平衡环境状境状态因化学不平衡所具有的火用。

因化学不平衡所具有的火用。

高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系可逆可逆22）轴功和循功和循环功的火用功的火用6.36.3机械火用机械火用11、机械能火用、机械能火用22、机械功火用、机械功火用11）体体积变化功的火用化功的火用图图2-1-1高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系6.46.4热量火用和冷量火用量火用和冷量火用11、热量火用及其在量火用及其在T-S图上表示上表示显然然TST0Ex,QAn,Q图图2-1-2高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系22、冷量火用、冷量火用习惯上将上将系系统传递的的热量称量称为冷量，即冷量，即冷量是系冷量是系统在低于在低于环境温度下通境温度下通过边界所界所传递的的热量。

量。

因而因而冷量火用也就是低于冷量火用也就是低于环境温度的境温度的热量火用量火用。

与与热量火用不同，冷量火用流的方向和冷量流量火用不同，冷量火用流的方向和冷量流的方向是相反的。

的方向是相反的。

借可逆机借可逆机计算冷量火用算冷量火用冷量火用冷量火用和火无和火无在在TTSS图上的表示上的表示高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系冷量火用也可以写成冷量火用也可以写成卡卡诺系数与系数与该冷量的乘冷量的乘积，即，即；或；或或或；表表2-1-12-1-1不同温度不同温度和和下卡下卡诺系数的系数的绝对值t,t0,0-50-100-150-200-250000.22410.57751.21802.734110.7991200.07320.31370.69301.38043.007511.6631400.14640.40330.80851.54283.280912.5270600.21970.49290.92411.70523.554313.3909高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系热量火用和温度T的关系高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系6.56.5封封闭系系统的火用的火用11、封、封闭系系统的火用的火用热力学能（内能）火用力学能（内能）火用任一封任一封闭系系统从从给定状定状态以可逆方式以可逆方式转变到到环境状境状态，并只与，并只与环境交境交换热量量时所作出的最大有用功称所作出的最大有用功称为给定状定状态下下封封闭系系统的火用的火用。

22、封、封闭系系统火用的表达式火用的表达式计算封算封闭系系统火用的用火用的用图2）.2）.推推导由第一定律由第一定律又又故故1）.1）.物理模型物理模型高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系由第二定律由第二定律图2-1-62-1-6计算封算封闭系系统火用的用火用的用图故有故有高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系当当封封闭闭系系统统只只与与环环境境交交换换热热量量时时，从从状状态态可可逆逆地地转转变变到另一状态到另一状态所能作出的最大有用功，可由下式积分求得。

所能作出的最大有用功，可由下式积分求得。

在在给定定环境境状状态下下，封封闭系系统从从初初态可可逆逆地地转变到到终态所所能能作作出出的的最最大大有有用用功功，只只与与初初、终有有关关，与与具具体体过程程无无关关，并等于系并等于系统内能火用的减少。

内能火用的减少。

高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系例例11蒸蒸汽汽贮于于具具有有活活塞塞的的汽汽缸缸中中，膨膨胀前前蒸蒸汽汽的的状状态为10105Pa和和300，容容积为0.015m3；膨膨胀后后压力力为1.4105Pa，汽汽缸缸容容积为0.075m0.075m33。

试计算算：

（1）

（1）初初态和和终态下下蒸蒸汽汽的的内内能能火火用用；

（2）

（2）从从初初态变到到终态可可能能作作出出的的最最大大有有用用功功；（3）（3）设膨膨胀过程程向向环境境大大气气散散热1.0kJ1.0kJ，求求实际的作功量。

的作功量。

设当当时环境大气的境大气的和和。

分析：

分析：

（1）

（1）由、，、，、，查算得：

、，由、，、，、，查算得：

、，、，、，、。

计算，和。

、。

计算，和。

由计算由计算、和和、。

（2）

（2）蒸汽从初态膨胀到终态可能作出的最大有用功为蒸汽从初态膨胀到终态可能作出的最大有用功为（3）（3）蒸汽在实际过程中的有用功为蒸汽在实际过程中的有用功为高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系33、封、封闭系系统的火用的特点的火用的特点）封封闭系系统火用在火用在p-v图上的表示上的表示图2-1-72-1-7封封闭系系统火用在火用在p-vp-v图上的表示上的表示高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系只要证明循环是顺时钟向的，则封闭系统的火用（循环只要证明循环是顺时钟向的，则封闭系统的火用（循环功）就具有正值，否则火用为负值。

功）就具有正值，否则火用为负值。

由由和和可以可以证明：

明：

且且比比陡陡从而从而因此，封因此，封闭系系统的火用的最大特点是恒的火用的最大特点是恒为正。

而正。

而热量火用，冷量火用量火用，冷量火用以及下面要涉及的以及下面要涉及的焓火用都不具有火用都不具有这样的特点。

的特点。

验证封闭系统火用验证封闭系统火用恒为正值的恒为正值的p-v图图高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系6.66.6稳定流定流动系系统的火用的火用稳定物流从任一定物流从任一给定状定状态流流经开口系开口系统以可逆方式以可逆方式转变到到环境状境状态，并且只与，并且只与环境交境交换热量量时所能作出的最大有用功定所能作出的最大有用功定义为稳定流定流动系系统的火用或的火用或稳定物流的火用定物流的火用。

11、稳定流动系统火用的计算式稳定流动系统火用的计算式1）.1）.物理模型物理模型计算算稳定流定流动系系统火用的用火用的用图高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系）稳定流定流动系系统火用的火用的计算式算式计算算稳定流定流动系系统火用的用火用的用图高等工程热力学高等工程热力学西安交通大学热流科学与工程系西安交通大学热流科学与工程系22、稳流工流工质所作的最大有用功