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1、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。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。,第2篇能量系统的火用分析方法,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)
2、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)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”。,第6章物理火用,6.1能量和火用,卡诺热机的热效率为,当以温度为的周围环境为低温热源时，卡诺机的热效率为,根据卡诺循环和卡诺定理，引出了热火用和热火无的概念,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
3、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 为环境压力，称 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环境状态。,2.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。,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
4、准状态，此时系统能量所具有的火用称为能量的物理火用。,3、物理火用，化学火用,对于不完全平衡环境状态,对于完全平衡环境状态,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，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。,可逆,2）轴功和循环功的火用,6.3机械火用,1、机械能火用,2、机械功火用,1）体积变化功的火用,图 2-1-1,6.4热量火用和冷量火用,1、热量火用及其在T-S 图上表示,显然,2、冷量火用,习惯上将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
5、。因而冷量火用也就是低于环境温度的热量火用。,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。,借可逆机计算冷量火用,冷量火用 和火无 在TS图上的表示,冷量火用也可以写成卡诺系数与该冷量的乘积，即,；或或；,6.5封闭系统的火用,2、封闭系统火用的表达式,计算封闭系统火用的用图,1).物理模型,由第二定律,图2-1-6计算封闭系统火用的用图,故有,当封闭系统只与环境交换热量时，从状态可逆地转变到另一状态所能作出的最大有用功，可由下式积分求得。,在给定环境状态下，封闭系统从初态可逆地转变到终态所能作出的最大有用功，只与初、终有关，与具体过程无关，并等于系统内能火用的减少。,例1 蒸汽贮
6、于具有活塞的汽缸中，膨胀前蒸汽的状态为10105Pa和300，容积为0.015m3；膨胀后压力为1.4105Pa，汽缸容积为0.075m3。试计算：(1)初态和终态下蒸汽的内能火用；(2)从初态变到终态可能作出的最大有用功；(3)设膨胀过程向环境大气散热1.0kJ，求实际的作功量。设当时环境大气的 和。,分析：(1)由、，、，、，查算得：、，、，、。计算，和。由计算、和、。,(2)蒸汽从初态膨胀到终态可能作出的最大有用功为,(3)蒸汽在实际过程中的有用功为,3、封闭系统的火用的特点,)封闭系统火用在 p-v 图上的表示,图2-1-7封闭系统火用在p-v图上的表示,只要证明循环是顺时钟向的，则封
7、闭系统的火用（循环功）就具有正值，否则火用为负值。,由 和,从而,因此，封闭系统的火用的最大特点是恒为正。而热量火用，冷量火用以及下面要涉及的焓火用都不具有这样的特点。,验证封闭系统火用 恒为正值的p-v图,1、稳定流动系统火用的计算式,1).物理模型,计算稳定流动系统火用的用图,)稳定流动系统火用的计算式,计算稳定流动系统火用的用图,2、稳流工质所作的最大有用功,在除环境外没有与其它热源交换热量的条件下，稳定物流从状态以可逆方式变化到状态所能作出的最大有用功,当不计或忽略进出口动能差，位能差时，有,3、推导稳流焓火用的其它途径,当计及宏观动力和位能时，只需要上式右边增加动能和位能即可。,计算
8、稳定物流火用的用图,可得,即,4、稳流焓火用的图示,h-s图,稳定物流焓火用在 h-s 图上的表示,线段1b线段1a线段ab线段1a线段0a tg,线段,例2 设有一空气绝热透平，空气的初状态为6105Pa、200和宏观速度为160m/s；出口状态为105Pa、40和80m/s。试求：(1)空气在进口和出口状态下的焓火用；(2)透平的实际输出功；(3)透平能够作出的最大有用功。取比热容为 cp=1.004 kJ/(kg.K)，环境大气状态为105Pa和17。,解(1)同理可得,(2),(3),6.7理想气体的焓火用,对于理想气体 故,1、温度火用和压力火用,2、温度火用与压力火用之应用,)定压
9、过程,在任意气体的定压过程中，从而有,2定温或初、终态温度相同的过程,故,理想气体在透平中定温膨胀,由第一定律,)利用建立理想气体热力性质表,温度熵的概念,定熵过程,例3 设有一空气绝热透平，空气的初状态为6105Pa、200和宏观速度为160m/s；出口状态为105Pa、40和80m/s。试用气体热力性质表计算空气透平作定熵膨胀时：(1)透平出口空气温度；(2)温度火用、压力火用和焓火用的变化；(3)透平所作有用功。,(3)=,6.8火用熵图和火用焓图,1、火用熵图,水蒸气火用熵图,：,环境温度对火用值的修正线,对于水蒸气，在不同环境温度下火用值的修正公式为,2、火用焓图,水蒸气的火用焓图,理想气体的火用焓图,
