焓、熵、“火用”之间的关系公式

王朝干货·作者佚名  2011-12-06
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(火用)与能量

以前很长一段时间,人们习惯于从能量的数量来量度能的价值,却不管所消耗的是什么样的能量。众所周知,各种不同形态的能量,其动力利用的价值并不相同。即使是同一形态的能量,在不同条件下也具有不同的作功能力。“焓”与“内能”虽具有“能”的含义和量纲,但它们并不能反映出能的质量。而“熵”与能的“质”有密切关系,但却不能反映能的“量”,也没有直接规定能的“质”。为了合理用能,就需要采用一个既能反映数量又能反映各种能量之间“质”的差异的同一尺度。“(火用)”正是这样一个可以科学评价能量价值的热力学物理量。

1.1 (火用)和(火无)的概念

各种形态的能量,转换为“高级能量”的能力并不相同。如果以这种转换能力为尺度,就能评价出各种形态能量的优劣。但是转换能力的大小与环境条件有关,还与转换过程的不可逆程度有关。因此,实际上采用在给定的环境条件下,理论上最大可能的转换能力作为量度能量品味高低的尺度,这种尺度称之为(火用)(Exergy)。它的定义如下:

当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时,理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量,称之为(火用)[1]。

因为只有可逆过程才有可能进行最完全的转换,所以可以认为(火用)是在给定的环境条件下,在可逆过程中,理论上所能作出的最大有用功或消耗的最小有用功。

与此相对应,一切不能转换为(火用)的能量,称之为(火无)(Anergy)。

任何能量E均由(火用)(Ex)和(火无)(An)两部分所组成,即

E=Ex+An

1.2 能量的转换规律

从(火用)和(火无)的观点来看,能量的转换规律可归纳为以下几点:

(1)(火用)与(火无)的总量保持守恒,即我们常说的能量守恒原理。

(2)(火无)再也不能转换为(火用),否则将违反热力学第二定律。

(3)可逆过程不出现能的贬值变质,所以(火用)的总量守恒。

(4)在一切实际不可逆过程中,不可避免地发生能的贬值,(火用)将部分地“退化”为(火无),成为(火用)损失。因为这种退化是无法补偿的,所以(火用)损失才是能量转换中的真正损失。

(5)孤立系统的(火用)值不会增加,只会减少,至多维持不变,此即孤立系统(火用)减原理。所以(火用)与熵一样,可用作自然过程方向性的判据。

1.3 热量(火用)

若某系统的温度高于环境温度,当系统由任意状态可逆地变化到与环境状态相平衡的状态(又称“死态”)时,放出热量Q,与此同时对外界作出最大有用功。这种最大有用功称为热量(火用)ExQ。如果从热力学温度为T的恒温热源取得热量Q,当环境温度为T0时,由热量可能得到的最大功Wmax,即热量(火用)ExQ为

ExQ=Wmax==Q

热量(火用)具有下列性质:

(1)热量(火用)是系统放出的热量中所能转换的最大有用功。

(2)热量(火用)的大小不仅与Q的大小有关,而且还与系统的温度T和环境温度T0有关。

(3)相同数量的Q,不同温度T下具有不同的热量(火用),当环境温度确定以后,T越高,(火用)越大。

(4)热量(火用)与热量一样是过程量,不是状态量。

2 (火用)平衡与(火用)分析

在我们对热力系统进行能量分析时,希望通过对能量形态的变化过程分析,定量计算能量有效利用及损失等情况,弄清造成损失的部位和原因,以便提出改进措施,并预测改善后的效果。我们通常采用的能量平衡分析分为热平衡(焓平衡)分析及(火用)平衡分析两种。

2.1 (火用)平衡与(火用)损失

能量守恒是一个普遍的定律,能量的收支应保持平衡。但是,(火用)只是能量中的可用能部分,它的收支一般是不平衡的,在实际的转换过程中,一部分可用能将转变成不可用能,(火用)将减少,称之为(火用)损失。这并不违反能量守恒定律,(火用)平衡是(火用)与(火用)损失(不可用能)之和保持平衡。

设穿过体系边界的输入(火用)为Exin,输出(火用)为Exout,系统各项内部(火用)损失为Ii,外界作功为W,则它们的平衡关系为

∑Exin+W=∑Exout+∑Ii

(火用)平衡不仅考虑了能量的数量,而且还顾及了能量的质量。在考虑(火用)平衡时,关键是需要记入各项(火用)损失才能保持平衡。其中,内部不可逆(火用)损失项在热平衡中并无反映。因此,两种分析方法有着质的区别。但是,两者相互之间又存在着内在的联系,(火用)平衡是建立在热平衡的基础之上的。

2.2 (火用)分析与(火用)效率

通常的热量平衡和能量转换效率并不能反映出(火用)的利用程度,因而我们引入了(火用)效率的概念。(火用)效率与能量转换效率由类似的定义,所不同的是,(火用)效率是收益(火用)与支付(火用)的比值。(火用)效率Ex为

有了(火用)效率的概念,我们就可以针对某个热力系统建立(火用)平衡关系式,并对其进行(火用)分析,从而达到以下目的:

(1)定量计算能量(火用)的各项收支、利用及损失情况。收支保持平衡是基础,能流的去向中包括收益项和各种损失项,根据各项的分配比例可以分清其主次。

(2)通过计算效率,确定能量转换的效果和有效利用程度。

(3)分析能量利用的合理性,分析各种损失大小和影响因素,提出改进的可能性及改进途径,并预测改进后的节能效果。

参考资料:http://www.jz5.cn/luenwen/nuanqi/200504/16503.html,百度||

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