大学物理化学授看葱挛课件热能的可用性及火用分析(本科专业).ppt
大学物理化学授看葱挛课件热能的可用性及火用分析(本科专业)Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析2热能可用性的讨论及热能可用性的讨论及 分析的意义分析的意义 用来描述能量可用性的热力学参数为用来描述能量可用性的热力学参数为 ，它表示各种形态的能，它表示各种形态的能量中所包含的可以转换为功的能量的多少。量中所包含的可以转换为功的能量的多少。利用利用 的概念来分析热力学问题，可以说明能量转换和传递过的概念来分析热力学问题，可以说明能量转换和传递过程中其数量和质量的变化关系。程中其数量和质量的变化关系。热力学第二定律说明了能量转换的条件、方向和限度，揭示了热力学第二定律说明了能量转换的条件、方向和限度，揭示了在转换为功的能力上或者说在能量的质量上，热能和其他形式的能在转换为功的能力上或者说在能量的质量上，热能和其他形式的能相比其品位较低，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，且温度越低的热能其能够转变为功的能量就越少，即其可用性较差，这正是热的热能其能够转变为功的能量就越少，即其可用性较差，这正是热能和其他形式的能所不同的特殊属性。能和其他形式的能所不同的特殊属性。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析36-1 热能的可用性及热能的可用性及 的基本概念的基本概念 热量转变为功的能力：热量转变为功的能力：在在两两热热源源间间工工作作的的热热机机，其其循循环环热热效效率率的的最最大大值值等等于于卡卡诺诺循循环环的的热热效效率率。在在一一定定的的环环境境中中，低低温温热热源源可可达达到到的的最最低低温温度度为为环环境境温温度度T0，因因此此当当供供热热热热源源温温度度为为Tr，从从该该热热源源吸吸热热的的热热机机循循环环的的最最高高热效率为热效率为 当吸热量为当吸热量为 时，通过热机循环而转换为功的最大限额，即时，通过热机循环而转换为功的最大限额，即热热量转变为功的能力量转变为功的能力为为 Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析4 可用能可用能可以连续地全部转变为功的能；可以连续地全部转变为功的能；不可用能不可用能不可能转变为功的能。不可能转变为功的能。Ex/J能量中可以连续地全部转变为有用功的部分能量中可以连续地全部转变为有用功的部分能量能量；An/J能量中不可能转变为有用功的那部分能量中不可能转变为有用功的那部分能量能量。有用功有用功功量中能够被有效利用的部分；功量中能够被有效利用的部分；无用功无用功由于系统容积变化而对周围环境支付的功，这部分功由于系统容积变化而对周围环境支付的功，这部分功量消耗于环境中而不能被利用。量消耗于环境中而不能被利用。按能量转变为有用功的可能性，将能量分为：按能量转变为有用功的可能性，将能量分为：按是否可以被有效利用，功量被分为：按是否可以被有效利用，功量被分为：按照转变为功的可能性，可以把能分为：按照转变为功的可能性，可以把能分为：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析5 系统中的能量系统中的能量E 可分为可分为 和和 两部分：两部分：对于确定的热力学系统，系统中能量的对于确定的热力学系统，系统中能量的 就是系统由该状态可逆就是系统由该状态可逆地变化到与给定环境状态相平衡时所作的最大有用功。地变化到与给定环境状态相平衡时所作的最大有用功。为了确定不同形式、不同状态能量的作功能力，即确定能量的为了确定不同形式、不同状态能量的作功能力，即确定能量的 值，需要明确基准状态。值，需要明确基准状态。一般以环境状态为基准状态，在该状态下一般以环境状态为基准状态，在该状态下 值为零。值为零。同样，系统中同样，系统中单位质量单位质量的能量的能量e 可表示为可表示为其其中中，ex为为单单位位工工质质的的 ，称称为为比比 (J/kg)；an为为单单位位工工质质的的 ，称为比称为比 (J/kg)。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析66-2 值的计算值的计算一、热量一、热量 在在环环境境温温度度T0确确定定的的条条件件下下，热热量量Q中中最最大大可可能能转转变变为为有有用用功功的部分称为的部分称为热量热量 ，以，以Ex,Q 表示。表示。假假设设温温度度为为T的的热热源源，向向温温度度为为T0的的环环境境传传递递热热量量Q，则则该该热热量量的的 值值等等于于在在热热源源温温度度T与与环环境境温温度度T0之之间间工工作作的的可可逆逆热热机机所所能能作作出的最大有用功（循环净功），即出的最大有用功（循环净功），即 热量的热量的 可表示为可表示为Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析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所能转换的最大有用功，其值取决于热量的大所能转换的最大有用功，其值取决于热量的大小、热源温度和环境温度。小、热源温度和环境温度。环境温度确定时，单位质量工质的热量的环境温度确定时，单位质量工质的热量的 值就仅仅是热源温值就仅仅是热源温度度T的单值函数。的单值函数。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，高温下的热能具有更大的可用性，具有更大的转变为有可见，高温下的热能具有更大的可用性，具有更大的转变为有用功的能力。用功的能力。与热量一样，热量的与热量一样，热量的 和和 的大小可以的大小可以在在T-s图上以相应的面积来表示。图上以相应的面积来表示。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析8二、闭口系统工质的二、闭口系统工质的 任意状态任意状态1的闭口系统中工质的作功能力，即的闭口系统中工质的作功能力，即可逆功可逆功为为 在闭口系统和环境组成的孤立系统中，闭口系统内的工质由所在闭口系统和环境组成的孤立系统中，闭口系统内的工质由所处状态可逆变化到环境状态所能作出的处状态可逆变化到环境状态所能作出的最大有用功最大有用功称为该工质的称为该工质的 。可逆可逆绝热过程绝热过程1-a中，工质所作的可逆功为中，工质所作的可逆功为 可逆可逆定温过程定温过程a-0中，工质所作的可逆功为中，工质所作的可逆功为其中其中即即Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析9 综合上述各式，可得任意状态的闭口系统中工质的作功能力，综合上述各式，可得任意状态的闭口系统中工质的作功能力，即可逆功为即可逆功为 由由于于系系统统总总是是处处于于一一定定的的周周围围环环境境中中，当当闭闭口口系系统统体体积积膨膨胀胀对对外外作作功功时时，必必因因推推动动压压力力为为p0的的周周围围物物质质发发生生位位移移，而而消消耗耗功功p0(V0-V1)，故实际上可利用的有效作功能力为，故实际上可利用的有效作功能力为 这这是是在在一一定定环环境境条条件件下下，给给定定状状态态时时系系统统作出有效功的最大能力，称为作出有效功的最大能力，称为最大有用功最大有用功。则则Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析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的初始可见，周围环境确定时，最大有用功数值仅决定于工质的初始状态，即在确定的周围环境条件下，最大有用功相当于一个状态参状态，即在确定的周围环境条件下，最大有用功相当于一个状态参数，称为数，称为闭口系统工质的闭口系统工质的 参数参数(热力学热力学 )，用，用Ex,U表示，有表示，有 当系统由状态当系统由状态1变化到状态变化到状态2时时，系统容积变化作出有用功的能，系统容积变化作出有用功的能力可表示为力可表示为 参数的关系：参数的关系：它的含义为：在确定的环境条件下，给定状态的闭口系统通过容积它的含义为：在确定的环境条件下，给定状态的闭口系统通过容积变化作出有用功的最大能力，故也称为变化作出有用功的最大能力，故也称为最大有用功参数最大有用功参数。闭口系统中闭口系统中1kg工质的工质的 称为比热力学称为比热力学 ：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析11三、稳定流动工质的三、稳定流动工质的 任意状态任意状态1的工质在稳定流动条件下的最大有用功可表示为的工质在稳定流动条件下的最大有用功可表示为 在开口系统和环境组成的孤立系统中，系统内稳定流动的工质在开口系统和环境组成的孤立系统中，系统内稳定流动的工质由所处状态可逆变化到环境状态所能作出的由所处状态可逆变化到环境状态所能作出的最大有用功最大有用功称为该工质称为该工质的的 。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，工质的可逆功分别为中，工质的可逆功分别为 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动工质的可逆功，即工质可能作流动工质的可逆功，即工质可能作出的最大有用功为出的最大有用功为Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析12 环环境境条条件件确确定定时时，稳稳定定流流动动开开口口系系统统的的最最大大作作功功能能力力，相相当当于于系系统统进进口口热热力力学学状状态态的的一一个个状状态态参参数数，称称为为稳稳定定流流动动开开口口系系统统工工质质的的 参数参数，也称为，也称为焓焓 ，用，用Ex,H表示，因此有表示，因此有 其含义为：在确定的环境条件下，给定进口状态的稳定流动开口系其含义为：在确定的环境条件下，给定进口状态的稳定流动开口系统通过轴功形式作出有用功的最大能力。统通过轴功形式作出有用功的最大能力。单位质量流动工质具有的单位质量流动工质具有的 称为比焓称为比焓 ：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析13 由于工质的流动动能及重力位能都是可直接转变为有用功的机由于工质的流动动能及重力位能都是可直接转变为有用功的机械能，因此在考虑工质的流动动能及重力位能情况下，可直接将焓械能，因此在考虑工质的流动动能及重力位能情况下，可直接将焓 的表达式改写为的表达式改写为 当当稳稳定定流流动动开开口口系系统统的的进进口口及及出出口口状状态态给给定定时时，系系统统的的作作功功能能力也可表示为力也可表示为 参数的关系：参数的关系：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.闭口系统经历一个微元不可逆热力过程，由于从高温热源吸热，闭口系统经历一个微元不可逆热力过程，由于从高温热源吸热，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，由于过程中系统内部的不可逆因。同时，由于过程中系统内部的不可逆因素而产生的素而产生的 损失为损失为 。则系统内部则系统内部 值的变化为值的变化为 Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析146-3 热力过程的热力过程的 分析分析 一、闭口系统的一、闭口系统的 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的热量放热而输出的热量系统向温度为系统向温度为T0的环境的环境放热而向外输出的热量放热而向外输出的热量 可看作为可看作为 损失的损失的一部分，即可将上式改写为一部分，即可将上式改写为 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。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析15闭口系统的闭口系统的 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量 ：系统向外输出的功量系统向外输出的功量 ：系统内系统内 值的变化：值的变化：将其均带入将其均带入 平衡方程式，可得平衡方程式，可得 因因 所以闭口系统的所以闭口系统的 损失为损失为 又又 则有则有，Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析16 可见，系统的可见，系统的 损失本质上就是系统作功能力的损失损失本质上就是系统作功能力的损失 ，因，因此，闭口系统热力过程中由于不可逆因素所造成的系统作功能力的此，闭口系统热力过程中由于不可逆因素所造成的系统作功能力的损失可表示为损失可表示为 Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析17 开口系统其经历一个微元不可逆热力过程后，其内部的开口系统其经历一个微元不可逆热力过程后，其内部的 值变值变化为化为 由温度为由温度为T的系统向温度的系统向温度T0的的环境放出热量而向外输出的热量环境放出热量而向外输出的热量 实际上是系统实际上是系统 损失的一部分，因此上式可写为损失的一部分，因此上式可写为 二、二、稳定流动开口系统稳定流动开口系统的的 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 平衡方程一般表达式。平衡方程一般表达式。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析18忽略系统进出口宏观动能和宏观位能变化时，有忽略系统进出口宏观动能和宏观位能变化时，有系统内部的系统内部的 值是不变的，即值是不变的，即开口系统进出口焓开口系统进出口焓 的变化：的变化：由于功量交换而引起开口系统内部由于功量交换而引起开口系统内部 值的发化，等于系统所作出值的发化，等于系统所作出的技术功，即的技术功，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Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析19开口系统的开口系统的 损失损失 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 又因又因 所以有所以有同样，不可逆因素所造成的系统作功能力的损失可表示为同样，不可逆因素所造成的系统作功能力的损失可表示为 及及，Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析206-4 效率效率 效效率率是是基基于于热热力力学学第第二二定定律律而而提提出出的的一一项项用用来来衡衡量量热热力力过过程程、能能量量转转换换装装置置或或热热力力系系统统的的热热力力学学完完善善程程度度的的指指标标，比比热热效效率率更更能能深刻地揭示能量转换、利用和损耗的实质。深刻地揭示能量转换、利用和损耗的实质。效率效率系统或设备的收益系统或设备的收益 和投入和投入 之比。之比。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。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Sunday,September 25,2022第六章第六章 热能的可用性及火用分析热能的可用性及火用分析21Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.
