第二篇1章 能量系統(tǒng)的火用方法.ppt

1、19世紀(jì)50年代，克勞修斯在前人研究的基礎(chǔ)上，概括而又確切地闡述了熱力學(xué)的兩個(gè)基本定律。但由熱力學(xué)第二定律建立起來的能質(zhì)概念，長期以來卻缺乏理論上的認(rèn)識，遲遲地未能為工程技術(shù)界所接受。直到20世紀(jì)50年代，火用 的概念被正式確立，參數(shù)火用 獲得國際確認(rèn)，才結(jié)束了這種不合理狀況，能量的品質(zhì)概念才為越來越多的人所接受，并開始走向工程應(yīng)用。 火用的概念是進(jìn)行火用值計(jì)算和工程火用分析的理論基礎(chǔ)，它不僅完善、豐富了工程熱力學(xué)的理論，而且對現(xiàn)代能源應(yīng)用科學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。,第2篇能量系統(tǒng)的火用分析方法,我們把在周圍環(huán)境條件下任一形式的能量中理論上能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量的火用(exergy

2、)或有效能(available energy)，能量中不能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量的火無 (anergy) 或無效能(unavailable energy) 能量火用火無,引用火用的概念，可以將熱力學(xué)第一定律表述為：“在任何能量的轉(zhuǎn)換過程中火用和火無的總和保持不變”。,可以將熱力學(xué)第二定律表述為:“每種能量都是由火用和火無兩部分所組成，不可能使火無轉(zhuǎn)變?yōu)榛鹩枚灰鹌渌兓薄?第6章物理火用,6.1能量和火用,卡諾熱機(jī)的熱效率為,當(dāng)以溫度為的周圍環(huán)境為低溫?zé)嵩磿r(shí)，卡諾機(jī)的熱效率為,根據(jù)卡諾循環(huán)和卡諾定理，引出了熱火用和熱火無的概念,周圍自然環(huán)境當(dāng)作一個(gè)具有不變壓力，不變溫度和不變

3、化學(xué)組成的龐大而靜止的物系，即便在接受或放出熱量和物質(zhì)時(shí)，其壓力、溫度和化學(xué)組成仍保持不變。稱 為環(huán)境壓力，稱 為環(huán)境溫度。,任何一個(gè)系統(tǒng)與環(huán)境處于熱力學(xué)平衡的狀態(tài)稱為環(huán)境狀態(tài)。,2.環(huán)境狀態(tài),熱力學(xué)平衡包括熱平衡，力平衡和化學(xué)平衡。當(dāng)不涉及化學(xué)反應(yīng)或擴(kuò)散等系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)可以與環(huán)境僅處于力平衡和熱平衡，稱之為不完全熱力學(xué)平衡。,當(dāng)研究涉及化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，如后面的化學(xué)火用時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)與環(huán)境的平衡狀態(tài)不但涉及力平衡和熱平衡，而且還涉及化學(xué)平衡，稱之為完全熱力學(xué)平衡。,系統(tǒng)所具有的火用也會因基準(zhǔn)狀態(tài)選取不同而具有不同的值。當(dāng)我們研究的系統(tǒng)是不涉及化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散的簡單可壓縮系統(tǒng)時(shí)，常常選取不完全平衡環(huán)境狀

4、態(tài)作為基準(zhǔn)狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)能量所具有的火用稱為能量的物理火用 。,3、物理火用，化學(xué)火用,對于不完全平衡環(huán)境狀態(tài),對于完全平衡環(huán)境狀態(tài),當(dāng)我們研究的系統(tǒng)涉及化學(xué)反應(yīng)及擴(kuò)散時(shí)，常取完全平衡狀態(tài)作為基準(zhǔn)狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)所具有的火用是物理火用和化學(xué)火用之和。 系統(tǒng)的能量的化學(xué)火用是系統(tǒng)在 ， 條件下對于完全平衡環(huán)境狀態(tài)因化學(xué)不平衡所具有的火用。,可逆,2）軸功和循環(huán)功的火用,6.3機(jī)械火用,1、機(jī)械能火用,2、機(jī)械功火用,1）體積變化功的火用,圖 2-1-1,6.4熱量火用和冷量火用,1、熱量火用及其在T-S 圖上表示,顯然,2、冷量火用,習(xí)慣上將系統(tǒng)傳遞的熱量稱為冷量，即 冷量是系統(tǒng)在低于環(huán)境溫度下通

5、過邊界所傳遞的熱量。 因而冷量火用也就是低于環(huán)境溫度的熱量火用。,與熱量火用不同，冷量火用流的方向和冷量流 的方向是相反的。,借可逆機(jī)計(jì)算冷量火用,冷量火用 和火無 在TS圖上的表示,冷量火用也可以寫成卡諾系數(shù)與該冷量的乘積，即,；或 或 ；,6.5封閉系統(tǒng)的火用,2、封閉系統(tǒng)火用的表達(dá)式,計(jì)算封閉系統(tǒng)火用的用圖,1).物理模型,由第二定律,圖2-1-6計(jì)算封閉系統(tǒng)火用的用圖,故有,當(dāng)封閉系統(tǒng)只與環(huán)境交換熱量時(shí)，從狀態(tài)可逆地轉(zhuǎn)變到另一狀態(tài)所能作出的最大有用功，可由下式積分求得。,在給定環(huán)境狀態(tài)下，封閉系統(tǒng)從初態(tài)可逆地轉(zhuǎn)變到終態(tài)所能作出的最大有用功，只與初、終有關(guān)，與具體過程無關(guān)，并等于系統(tǒng)內(nèi)能

6、火用的減少。,例1 蒸汽貯于具有活塞的汽缸中，膨脹前蒸汽的狀態(tài)為10105Pa和300，容積為0.015m3；膨脹后壓力為1.4105Pa，汽缸容積為0.075m3。試計(jì)算：(1)初態(tài)和終態(tài)下蒸汽的內(nèi)能火用 ；(2)從初態(tài)變到終態(tài)可能作出的最大有用功；(3)設(shè)膨脹過程向環(huán)境大氣散熱1.0kJ，求實(shí)際的作功量。設(shè)當(dāng)時(shí)環(huán)境大氣的 和 。,分析：(1)由、，、，、，查算得：、， 、，、。計(jì)算，和。 由計(jì)算 、 和 、 。,(2) 蒸汽從初態(tài)膨脹到終態(tài)可能作出的最大有用功為,(3)蒸汽在實(shí)際過程中的有用功為,3、封閉系統(tǒng)的火用的特點(diǎn),)封閉系統(tǒng)火用在 p-v 圖上的表示,圖2-1-7封閉系統(tǒng)火用在p-

7、v圖上的表示,只要證明循環(huán)是順時(shí)鐘向的，則封閉系統(tǒng)的火用（循環(huán)功）就具有正值，否則火用為負(fù)值。,由 和,從而,因此，封閉系統(tǒng)的火用的最大特點(diǎn)是恒為正。而熱量火用，冷量火用以及下面要涉及的焓火用都不具有這樣的特點(diǎn)。,驗(yàn)證封閉系統(tǒng)火用 恒為正值的p-v圖,1、穩(wěn)定流動系統(tǒng)火用的計(jì)算式,1).物理模型,計(jì)算穩(wěn)定流動系統(tǒng)火用的用圖,)穩(wěn)定流動系統(tǒng)火用的計(jì)算式,計(jì)算穩(wěn)定流動系統(tǒng)火用的用圖,2、穩(wěn)流工質(zhì)所作的最大有用功,在除環(huán)境外沒有與其它熱源交換熱量的條件下，穩(wěn)定物流從狀態(tài)以可逆方式變化到狀態(tài)所能作出的最大有用功,當(dāng)不計(jì)或忽略進(jìn)出口動能差，位能差時(shí)，有,3、推導(dǎo)穩(wěn)流焓火用的其它途徑,當(dāng)計(jì)及宏觀動力和位能

8、時(shí)，只需要上式右邊增加動能和位能即可。,計(jì)算穩(wěn)定物流火用的用圖,可得,即,4、穩(wěn)流焓火用的圖示,h-s圖,穩(wěn)定物流焓火用在 h-s 圖上的表示,線段1b線段1a線段ab 線段1a線段0a tg,線段,例2 設(shè)有一空氣絕熱透平，空氣的初狀態(tài)為6105Pa、200和宏觀速度為160m/s；出口狀態(tài)為105Pa、40和80m/s。試求：(1)空氣在進(jìn)口和出口狀態(tài)下的焓火用；(2)透平的實(shí)際輸出功；(3)透平能夠作出的最大有用功。取比熱容為 cp=1.004 kJ/(kg.K) ，環(huán)境大氣狀態(tài)為105Pa和17。,解(1) 同理可得,(2),(3),6.7理想氣體的焓火用,對于理想氣體 故,1、溫度火用和壓力火用,2、溫度火用與壓力火用之應(yīng)用,)定壓過程,在任意氣體的定壓過程中 ，從而有,2定溫或初、終態(tài)溫度相同的過程,故,理想氣體在透平中定溫膨脹,由第一定律,)利用建立理想氣體熱力性質(zhì)表,溫度熵的概念,定熵過程,例3 設(shè)有一空氣絕熱透平，空氣的初狀態(tài)為6105Pa、200和宏觀速度為160m/s；出口狀態(tài)為105Pa、40和80m/s。試用氣體熱力性質(zhì)表計(jì)算空氣透平作定熵膨脹時(shí)：(1)透平出口空氣