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：[e-mail]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Ex和火无An两部分组成nxAEEnxaee•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，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T0的环境条件下，系统（TT0）所提供的热量中可转化为有用功的最大值，用Ex,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QTTEQAQTTEQxQnQxδδδδδ1δ0,,0,STEQASTQEQxQnQx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pv215436Ts215436ExQExQAnQAnQ•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，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•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(0TTQExQQTTAnQ0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=100kJ，环境温度T0=300K：(1)tA=420℃，tB=400℃；(2)tA=70℃，tB=50℃；(3)tA=200K，tB=220K。解：火用损失ExQ=T0Siso(1)TA=693K，TB=673KTATBT0，热量由A传向BkJ287.110069316731300110QTTTEABxQkJ308.210034313231300110QTTTEABxQ(2)K323K343BATTkJ636.1310022012001300110QTTTEBAxQ(3)由于TATBT0，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T0的系统（TT0），吸入的热量Q0时作出的最大有用功，用Ex,Q'表示QTTEQAQTTEQxQnQx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(0TTQEQxQTTAQn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pv215436Ts345126ExQ'ExQ'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)()()(00000VVpSSTUUEx)()(000SSTHHEx•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QTTTEEEABQBxQAxl110,,Ts3451261'2'TATBTs3451264'3'T'0T0T05.3.2摩擦引起的火用损失gllSTTWTE000Ts3451263'TAT05.3.3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1hex=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hex=•热力循环的热量火用效率•热效率ctxQexQEWhhhQWth•卡诺循环热效率QExQth•作业P145:2、3