大学物理化学授看葱挛热能的可用性及火用分析本科专业.pptx

1、Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析1第六章第六章 热能可用性及热能可用性及 分析分析6-1 热能可用性及热能可用性及 基本概念基本概念6-3 热力过程热力过程 分析分析6-4 效率效率第第1页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析2热能可用性讨论及热能可用性讨论及 分析意义分析意义 用来描述能量可用性热力学参数为用来描述能量可用性热力学参数为 ，它表示各种形态能量中，它表示各种形态能量中所包含能够转换为功能量多少。所包含能够转换为功能量多少。利用利用 概念来分析热力学问题，能够说明能量

2、转换和传递过程概念来分析热力学问题，能够说明能量转换和传递过程中其数量和质量改变关系。中其数量和质量改变关系。热力学第二定律说明了能量转换条件、方向和程度，揭示了在热力学第二定律说明了能量转换条件、方向和程度，揭示了在转换为功能力上或者说在能量质量上，热能和其它形式能相比其品转换为功能力上或者说在能量质量上，热能和其它形式能相比其品位较低，即热能不可能连续地全部转换为功，且温度越低热能其能位较低，即热能不可能连续地全部转换为功，且温度越低热能其能够转变为功能量就越少，即其可用性较差，这正是热能和其它形式够转变为功能量就越少，即其可用性较差，这正是热能和其它形式能所不一样特殊属性。能所不一样特殊

3、属性。第第2页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析36-1 热能可用性及热能可用性及 基本概念基本概念 热量转变为功能力：热量转变为功能力：在两热源间工作热机，其循环热效率最大值等于卡诺循环热效在两热源间工作热机，其循环热效率最大值等于卡诺循环热效率。在一定环境中，低温热源可到达最低温度为环境温度率。在一定环境中，低温热源可到达最低温度为环境温度T0，所以，所以当供热热源温度为当供热热源温度为Tr，从该热源吸热热机循环最高热效率为，从该热源吸热热机循环最高热效率为r0maxt,1TT 当吸热量为当吸热量为 时，经过热机循环而转换为功最大限

4、额，即时，经过热机循环而转换为功最大限额，即热量热量转变为功能力转变为功能力为为 r0maxt,max1TTQQWQ第第3页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析4 可用能可用能能够连续地全部转变为功能；能够连续地全部转变为功能；不可用能不可用能不可能转变为功能。不可能转变为功能。Ex/J能量中能够连续地全部转变为有用功部分能量中能够连续地全部转变为有用功部分能量能量；An/J能量中不可能转变为有用功那部分能量中不可能转变为有用功那部分能量能量。有用功有用功功量中能够被有效利用部分；功量中能够被有效利用部分；无用功无用功因为系统容积改变而对

5、周围环境支付功，这部分功量因为系统容积改变而对周围环境支付功，这部分功量消耗于环境中而不能被利用。消耗于环境中而不能被利用。按能量转变为有用功可能性，将能量分为：按能量转变为有用功可能性，将能量分为：按是否能够被有效利用，功量被分为：按是否能够被有效利用，功量被分为：按照转变为功可能性，能够把能分为：按照转变为功可能性，能够把能分为：第第4页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析5 系统中能量系统中能量E 可分为可分为 和和 两部分：两部分：nxAEEnxaee 对于确定热力学系统，系统中能量对于确定热力学系统，系统中能量 就是系统由该状态

6、可逆地就是系统由该状态可逆地改变到与给定环境状态相平衡时所作最大有用功。改变到与给定环境状态相平衡时所作最大有用功。为了确定不一样形式、不一样状态能量作功效力，即确定能量为了确定不一样形式、不一样状态能量作功效力，即确定能量 值，需要明确基准状态。值，需要明确基准状态。普通以环境状态为基准状态，在该状态下普通以环境状态为基准状态，在该状态下 值为零。值为零。一样，系统中一样，系统中单位质量单位质量能量能量e 可表示为可表示为其中，其中，ex为单位工质为单位工质 ，称为比，称为比 (J/kg)；an为单位工质为单位工质 ，称为比，称为比 (J/kg)。第第5页页Sunday,October 10

7、,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析66-2 值计算值计算一、热量一、热量 在环境温度在环境温度T0确定条件下，热量确定条件下，热量Q中最大可能转变为有用功部中最大可能转变为有用功部分称为分称为热量热量 ，以，以Ex,Q 表示。表示。假设温度为假设温度为T热源，向温度为热源，向温度为T0环境传递热量环境传递热量Q，则该热量，则该热量 值值等于在热源温度等于在热源温度T与环境温度与环境温度T0之间工作可逆热机所能作出最大有之间工作可逆热机所能作出最大有用功（循环净功），即用功（循环净功），即TTQE,Q0 x1STQTQTQEQ00,x 热量热量 可表示为可表示为STEQAQ

8、Q0,x,n第第6页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析7 由上述讨论可见：由上述讨论可见：热量热量 是热量是热量Q所能转换最大有用功，其值取决于热量大小、所能转换最大有用功，其值取决于热量大小、热源温度和环境温度。热源温度和环境温度。环境温度确定时，单位质量工质热量环境温度确定时，单位质量工质热量 值就仅仅是热源温度值就仅仅是热源温度T单值函数。单值函数。T越高，越高，值就越大，值就越大，T越低，越低，值就越小；当值就越小；当T=T0时，时，值等值等于零。于零。可见，高温下热能含有更大可用性，含有更大转变为有用功能可见，高温下热能含有更

9、大可用性，含有更大转变为有用功能力。力。与热量一样，热量与热量一样，热量 和和 大小能够在大小能够在T-s图上以对应面积来表示。图上以对应面积来表示。第第7页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析8二、闭口系统工质二、闭口系统工质aaUUW11,rev)()(100000SSTSSTQaa 任意状态任意状态1闭口系统中工质作功效力，即闭口系统中工质作功效力，即可逆功可逆功为为 0rev,rev,10rev,1aaWWW000,revaaaQUUW 在闭口系统和环境组成孤立系统中，闭口系统内工质由所处状在闭口系统和环境组成孤立系统中，闭口系统

10、内工质由所处状态可逆改变到环境状态所能作出态可逆改变到环境状态所能作出最大有用功最大有用功称为该工质称为该工质 。可逆可逆绝热过程绝热过程1-a中，工质所作可逆功为中，工质所作可逆功为 可逆可逆定温过程定温过程a-0中，工质所作可逆功为中，工质所作可逆功为)(10000,revSSTUUWaa其中其中即即第第8页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析9 综合上述各式，可得任意状态闭口系统中工质作功效力，即可综合上述各式，可得任意状态闭口系统中工质作功效力，即可逆功为逆功为 0rev,rev,10-rev,1aaWWW)()(01001SST

11、UU 因为系统总是处于一定周围环境中，当闭口系统体积膨胀对外因为系统总是处于一定周围环境中，当闭口系统体积膨胀对外作功时，必因推进压力为作功时，必因推进压力为p0周围物质发生位移，而消耗功周围物质发生位移，而消耗功p0(V0-V1)，故实际上可利用有效作功效力为故实际上可利用有效作功效力为)(1000rev,1maxe,VVpWW 这是在一定环境条件下，给定状态时系统这是在一定环境条件下，给定状态时系统作出有效功最大能力，称为作出有效功最大能力，称为最大有用功最大有用功。)()()(01001001maxe,VVpSSTUUW则则第第9页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能

12、可用性及火用分析热能可用性及火用分析10参数参数 可见，周围环境确定时，最大有用功数值仅决定于工质初始状可见，周围环境确定时，最大有用功数值仅决定于工质初始状态，即在确定周围环境条件下，最大有用功相当于一个状态参数，态，即在确定周围环境条件下，最大有用功相当于一个状态参数，称为称为闭口系统工质闭口系统工质 参数参数(热力学热力学 )，用，用Ex,U表示，有表示，有e,max1,xWEU)()()(01001001VVpSSTUU 当系统由状态当系统由状态1改变到状态改变到状态2时时，系统容积改变作出有用功能力，系统容积改变作出有用功能力可表示为可表示为 参数关系：参数关系：它含义为：在确定环境

13、条件下，给定状态闭口系统经过容积改变作它含义为：在确定环境条件下，给定状态闭口系统经过容积改变作出有用功最大能力，故也称为出有用功最大能力，故也称为最大有用功参数最大有用功参数。)()(00000001,xvpsTuvpsTueU 2x,1x,2e,1UUeew闭口系统中闭口系统中1kg工质工质 称为比热力学称为比热力学 ：第第10页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析11三、稳定流开工质三、稳定流开工质aaHHW11,t 任意状态任意状态1工质在稳定流动条件下最大有用功可表示为工质在稳定流动条件下最大有用功可表示为0t,t,10t,1a

14、aWWW)(10000,tSSTHHWaa 在开口系统和环境组成孤立系统中，系统内稳定流动工质由所在开口系统和环境组成孤立系统中，系统内稳定流动工质由所处状态可逆改变到环境状态所能作出处状态可逆改变到环境状态所能作出最大有用功最大有用功称为该工质称为该工质 。可逆可逆绝热过程绝热过程1-a中和可逆中和可逆定温过程定温过程a-0中，工质可逆功分别为中，工质可逆功分别为)()(0100101,tSSTHHW结合上式，即可得到开口系统稳定结合上式，即可得到开口系统稳定流开工质可逆功，即工质可能作出流开工质可逆功，即工质可能作出最大有用功为最大有用功为第第11页页Sunday,October 10,第

15、六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析12 环境条件确定时，稳定流动开口系统最大作功效力，相当于系环境条件确定时，稳定流动开口系统最大作功效力，相当于系统进口热力学状态一个状态参数，称为统进口热力学状态一个状态参数，称为稳定流动开口系统工质稳定流动开口系统工质 参参数数，也称为，也称为焓焓 ，用，用Ex,H表示，所以有表示，所以有 )()(010011,xSSTHHEH )()(00001x,sThsTheH 其含义为：在确定环境条件下，给定进口状态稳定流动开口系统经其含义为：在确定环境条件下，给定进口状态稳定流动开口系统经过轴功形式作出有用功最大能力。过轴功形式作出有用功最大能

16、力。单位质量流开工质含有单位质量流开工质含有 称为比焓称为比焓 ：第第12页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析13 因为工质流动动能及重力位能都是可直接转变为有用功机械能，因为工质流动动能及重力位能都是可直接转变为有用功机械能，所以在考虑工质流动动能及重力位能情况下，可直接将焓所以在考虑工质流动动能及重力位能情况下，可直接将焓 表示式改写为表示式改写为)21()21(02f00002f0,xgzcsThgzcsTheH 当稳定流动开口系统进口及出口状态给定时，系统作功效力也当稳定流动开口系统进口及出口状态给定时，系统作功效力也可表示为可

17、表示为 参数关系：参数关系：2x,1x,2rev,1HHeew第第13页页 闭口系统经历一个微元不可逆热力过程，因为从高温热源吸热，闭口系统经历一个微元不可逆热力过程，因为从高温热源吸热，系统得到热量系统得到热量 ，向环境放热对外输出热量，向环境放热对外输出热量 ，对外，对外作功而输出功量作功而输出功量 。同时，因为过程中系统内部不可逆原因。同时，因为过程中系统内部不可逆原因而产生而产生 损失为损失为 。则系统内部则系统内部 值改变为值改变为 Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析146-3 热力过程热力过程 分析分析Lx,x0,x,x,xd

18、EEEEEWQQU 一、闭口系统一、闭口系统 方程和方程和 损失损失式中，系统式中，系统向环境向环境放热而输出热量放热而输出热量00,x10QTTEQ系统向温度为系统向温度为T0环境环境放热而向外输出热量放热而向外输出热量 可看作为可看作为 损失一部分，损失一部分，即可将上式改写为即可将上式改写为 Lx,x,x,xdEEEEWQU此式称为闭口系统此式称为闭口系统 平衡方程式。平衡方程式。0,xQEQE,xWE,xLx,E第第14页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析15闭口系统闭口系统 损失损失 系统从高温热源得到热量系统从高温热源得到热

19、量 ：QTTEQ1r0,x系统向外输出功量系统向外输出功量 ：VpWEWd0,x系统内系统内 值改变：值改变：STVpUEUdddd00,x将其均带入将其均带入 平衡方程式，可得平衡方程式，可得 Lx,r001ddEWQTTSTU0dQWQU因因 所以闭口系统所以闭口系统 损失为损失为 r00Lx,dTQSTQE000dSTQ rrdSTQ又又 iso0r00Lx,d)dd(dSTSSSTE则有则有Lx,x,x,xdEEEEWQU，第第15页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析16 可见，系统可见，系统 损失本质上就是系统作功效力损失损失

20、本质上就是系统作功效力损失 ，所以，所以，闭口系统热力过程中因为不可逆原因所造成系统作功效力损失可表闭口系统热力过程中因为不可逆原因所造成系统作功效力损失可表示为示为 iso0Lx,LdSTEWiso0Lx,LdsTewLw第第16页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析17Lx,x,x,x,x,xdd0EEEEEEWQQHU 开口系统其经历一个微元不可逆热力过程后，其内部开口系统其经历一个微元不可逆热力过程后，其内部 值改变值改变为为 由温度为由温度为T系统向温度系统向温度T0环境放出热量而向外输出热量环境放出热量而向外输出热量 实际实际

21、上是系统上是系统 损失一部分，所以上式可写为损失一部分，所以上式可写为Lx,x,x,x,xddEEEEEWQHU 二、二、稳定流动开口系统稳定流动开口系统 方程和方程和 损失损失此式即为开口系统此式即为开口系统 平衡方程普通表示式。平衡方程普通表示式。第第17页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析18忽略系统进出口宏观动能和宏观位能改变时，有忽略系统进出口宏观动能和宏观位能改变时，有zmgcmWWE,Wdd212fstxs,x,xsWEEWWSTHEHddd0,xQTTEQ1r0,x0d,xUE系统内部系统内部 值是不变，即值是不变，即开

22、口系统进出口焓开口系统进出口焓 改变：改变：因为功量交换而引发开口系统内部因为功量交换而引发开口系统内部 值发化，等于系统所作出值发化，等于系统所作出技术功，即技术功，即系统从高温热源得到热量系统从高温热源得到热量 ：则开口系统则开口系统 平衡方程式可表示为平衡方程式可表示为01ddLx,tr00EWQTTSTH第第18页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析19开口系统开口系统 损失损失0tdQWQH 对于开口系统，有对于开口系统，有 将其带入开口系统将其带入开口系统 平衡方程，有平衡方程，有 r00Lx,dTQSTQE000dSTQ r

23、rdSTQ又因又因 iso0r00d)dd(dSTSSSTExl所以有所以有一样，不可逆原因所造成系统作功效力损失可表示为一样，不可逆原因所造成系统作功效力损失可表示为 iso0LdSTW iso0LdsTw iso0Lx,dsTe及及，01ddLx,tr00EWQTTSTH第第19页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析206-4 效率效率 效率是基于热力学第二定律而提出一项用来衡量热力过程、效率是基于热力学第二定律而提出一项用来衡量热力过程、能量转换装置或热力系统热力学完善程度指标，比热效率更能深刻能量转换装置或热力系统热力学完善程度指标，比热效率更能深刻地揭示能量转换、利用和损耗实质。地揭示能量转换、利用和损耗实质。效率效率系统或设备收益系统或设备收益 和投入和投入 之比。之比。nx,Lx,nx,Lx,nx,nx,gx,x1EEEEEEEE式中，式中，收益收益 ；投入投入 ；损失。损失。效率值应在效率值应在0与与1之间。之间。nx,ELx,Egx,E第第20页页Sunday,October 10,第六章第六章 热能可用性及火用分析热能可用性及火用分析21第第21页页