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Exergy和能的关系 姓 名：朱少民 学 号：S313150006 学 院：核科学与技术学院 专 业：核科学与技术 哈尔滨工程大学2013年11月摘要：本文主要介绍exergy的概念，从定义和约束条件上对exergy进行热力学上的一个总的概述，并且结合能量的性质，利用和流动方向性上给出exergy的一些基本的特征。我们知道能量具有量和质两方面的特性，exergy正是表征能量在量上和质上的统一，是能量在做功能力上的度量。能量在利用过程中的转换程度受能量exergy大小的限制，也就是能量质的限制。从某种程度上来说，质的重要性相比于量来说就更大，它对热力系统设备的制造工艺和运行特性都具有很大的影响。最后，我们将针对exergy对能量在传递，转换和利用等方面进行进一步的探讨。关键词：exergy；能量；节能Abstract:This paper mainly introduces the concept of exergy，arriving at the concept of exergy from the definition and constraints,giving some of the basic characteristics of the exergy,combined with the nature of the energy, using and flow direction .We all know that energy has the characteristics of both quantity and quality,and exergy is the unity on the characterization of energy on the quantity and quality,is the measurement of energy of working capability. Energys using is limited by energys exergy , namely energy qualitatives limit.To some extent, the quality is even greater important than quantity,which is very important to manufacturing technology of ting system and its operation characteristics.Finally,we will carry out further discussion on the aspect of the energy transfer, conversion and utilization, etc.Keyword:exergy；energy;energy conservation1.Exergy的概述1.1 Exergy的定义 实践证明，各种形式的能量相互转换时，具有明显的方向性，如机械能，电能等可以全部转换为热能，理论上转换效率可达100%。但是热能在转换为机械能的过程中却要受到工质的参数和环境的限制，并不能完全转换为机械能。所以从经济性方面来说前者就显得更为宝贵，能量的质就更高。而且，能量总是有自发地由高质状态向低质状态的转换，比如机械做功过程中的摩擦所产生的热能，这些过程都是不可逆的。能量的总量上来说并没有损失，但是可以看出能量的做功能力却在下降，而我们所定义的exergy正是表征能量所能做的最大有用功的一个概念。Exergy的概念建立在热力学第一定律和热力学第二定律的基础上，是能量在理论上所具有的最大做功能力的一种度量。这里所说的理论上的最大做功能力指的是在能量利用的过程中无散热和其他的不可逆的耗散，所有过程都是可逆的，但是在实际的能量应用过程中这是无法实现的，所以这里指的是做功能力并不是做功量，实际做功量的大小还要受到设备等影响。在热力学中，Exergy的定义有多中表达方式，但是他们无一例外地都表示exergy是能量最大做功能力的度量，只是描述的方式有所不同，常见的有以下几个：（1） 对于稳定不变的环境，单位质量的稳定流动工质从所处状态可逆变化到环境介质相平衡的状态时所能做出的最大可用功称为exergy。（2） 一定形式的能量或一定状态的物质，经过完全可逆的变化过程（如传热、传质、化学反应等）后，最后达到与环境完全平衡的状态，在这个可逆过程中该能量或物质所能做的最大功称为exergy。（3） Exergy是当热力学系统或能流与环境介质相互作用而达到平衡时，外界所得到的最大功。根据卡诺循环，无论是闭口系统的工质还是流经开口系统的流动工质，只要工质的热力状态与环境介质之间存在热力学的不平衡，例如工质的压力或者温度高于环境介质，那么工质就具有做出有用功的能力，也就是说能量中含有exergy。由exergy的定义可知，如果环境的状态是确定的，则exergy的大小只决定于工质所处的状态，因此，exergy实际上是状态参数。显然，能量中含有的exergy越多，其转换为有用功的能力越大，可利用的价值就越高。在exergy的定义中，应该注意有三个约束条件：（1）物质由给定状态变化到环境状态的做功过程完全可逆的。（2）物质作功过程的终态，应与周围环境达到完全平衡的状态，包括热平衡、力平衡和化学平衡。（3）在做功过程中，除环境以外没有其他热源或功源。上述所规定的exergy，也称为热力exergy。目前，exergy的概念已经有所推广，将各种情况下的最大有用功都叫做exergy。例如，热量的做功能力称作热量exergy，机械能全部都是可用能，称为机械exergy，需要注意的是，热量exergy和机械exergy并不是热力学状态参数。这里所说的环境是一个理想状态下的环境，我们认为环境介质与系统相比应该是足够大，并且不存在温度梯度，压力梯度和化学势的梯度，认为其参数是常数，不随时间和系统对其发生的任何相互作用而发生改变。在exergy分析过程中我们通常取外在的自然环境的温度、压力参数为我们的环境参数。这里，我们可以总结出exergy的一些基本性质：（1） Exergy具有能的属性，与能一样，exergy可以是状态量，也可以是过程量，一般来说，蕴含形式的能量所包含的exergy是状态量，而迁移形式的能量所包含的exergy则是过程量。（2） Exergy具有等价性。它是一种用以度量各种形式能量的转换能力的物理量，表示了能量转换时可能的极限值。从热力学角度来看，各种形态能量的Exergy都是等价的。（3） Exergy具有互比性。Exergy从数量与质量相结合的角度反映了能的价值，代表了能量中数量与质量相统一的部分。（4） Exergy具有相对性。Exergy是以环境作为基准所取的相对量，在寂态时，其值为零，偏离寂态时其值不为零。（5） Exergy具有可分性。Exergy可以分解为物理Exergy、动能Exergy、位能Exergy、化学Exergy等，而物理Exergy又能分解为机械Exergy与热Exergy；化学Exergy同样也可以分解为扩散Exergy与反应Exergy。（6） 在可逆过程中，exergy具有守恒性，Exergy的总值守恒不变。（7） 在不可逆过程中，Exergy具有非守恒性，不可避免地总有一部分Ex要蜕变为An。1.2 Exergy与Anergy的关系与exergy相对的概念是anergy。在一定的环境温度下，任何形式的能量理论上可转换的最大可用功的那部分称为exergy，不能转换为功的那部分能量则称为anergy，因此，系统的总能量就由exergy和anergy两部分组成，即：Et = Ex + An不同形态的能量，其中包含的 exergy 与anergy的比例通常各不相同，而某些形态的能量其exergy 或者 anergy可能为零。例如，机械能、电能都是exergy，其anergy 为零；自然环境状态下的热能以及从环境输入或输出的热量都是anergy，其exergy为零。引入exergy与anergy的概念后，能量的概念发生了根本性变化。热力学第一定律可以描述为：在能量转换和传递过程中exergy与anergy的总量是守恒的。热力学第二定律可以描述为：一切实际过程（即不可逆过程）都是exergy递减、anergy递增的过程，即实际过程总是朝着exergy转换为anergy的方向进行。根据热力学第二定律，能量转换过程是沿着exergy减少，anergy增加的方向进行的。Exergy的减少不但表明数量的损失，而且表明能量质量的贬值，这才是真正意义上的能量损失。比如在节流过程中，根据热力学第一定律，能量的总量并没有减少，但是节流使工质的压力降低，实际的做功能力却下降了，相对应的exergy也就相应减少，这就是能量品质上的降低，在能量利用上是有损失的。所谓的节能，实质上就是节exergy，所谓的能源危机，实际上也就是exergy危机。因此在用能过程中，即在exergy转换为anergy的过程中，应该充分有效的发挥exergy的作用，尽量减少不必要和不合理的exergy损失，尽量避免宝贵的exergy轻易地转换为anergy。1.3 Exergy与能的联系Exergy是从能延伸出来的一个概念，所以exergy也是一种能量，具有能的量纲和属性，但是又与能的含义又不完全一样。一般来说，能的数量与质量是不统一的，而exergy则代表了能量中数量与质量的统一那部分。各种形式的能量中都含有一定量的exergy。也就是说，从数值上看exergy总是小于等于相对应的能量的值。不管哪种形态的能量，其中所含有的exergy都反映了各自能量中质量与数量的相统一的部分。这样，就可以用exergy来评价和比较各种不同形态的能量。由热力学第一定律和第二定律可直接导出，在任意给定状态下，系统exergy都具有确定值。在实际过程中，所得到的功总是少于系统所减少的exergy，这意味着部分exergy并没有转换为功，而是在不可逆过程中消失了。这是exergy与能的重要不同点，能是不会消失的，而exergy却可以消失，它只在可逆过程中服从守恒定律。在除此之外的所有情况下，它可能局部或者全部消失，在不可逆过程中由于耗散而损失掉了。我们前面根据能量转换时是否受热力学第二定律的制约，将能量分为三种不同的质，即：高质能（机械能，电能，核能）、低质能（热能，热力学能）、僵态能（大气、大地、天然水等环境介质具有的热力学能）。在引进了exergy的概念之后我们可以发现，高质能理论上可以完全转换为功，而不受热力学第二定律的制约，它的量与质是统一的，即能与exergy是相等的。所以我们可以把全部能都是exergy的能量形式称为高质能；而对于低质能，由于不能完全转换为功，转换能力受热力学第二定律的制约，低质能的量与质是不统一的，质的高低就决定了可转换能量的数量，即能总是大于其对应的Exergy值，所以我们可以把部分为exergy的能量形式称为低质能；对于僵态能，虽然从数量上来说巨大，但是从转换为功的能力来说即为零，没有做功能力，我们可以将exergy值为零的能量称为僵态能。 下面对exergy的能的特点进行比较，更加鲜明地体现出两者的不同。能的特点：（1） 只与物质或能流的参数有关，而与环境介质参数无关；（2） 在任何过程中都遵循守恒定律，不能无由地产生和消失；（3） 能量总是具有非零值，等于E=mc2的相应值；（4） 不同形式的能量相互转换遵循热力学第二定律。Exergy的特点：（1） 既与系统参数有关，也与环境介质参数有关；（2） 只在可逆过程中遵循守恒定律，而在各种实际不可逆过程中可局部或全部消失；（3） Exergy值可以等于零（当与环境介质完全平衡时，Exergy值为零）；（4） 不同形式能量的Exergy值是完全等价的。在一切的实际过程中都是存在不可逆因素的，一切实际过程都是不可逆的过程，必伴随着各种exergy损失，exergy损失的大小则揭示了过程的不可逆程度，反映了过程中能量转换与利用的完善程度。比如：有限温差条件下的热交换、有限浓度差条件下的质量交换、粘性流动中的摩擦生热现象等都是典型的不可逆现象。损失的那部分exergy没有产生实际的效益，白白弃于环境中。因此，从节能的角度来考虑，在合理的技术经济条件下，应该尽可能将其减少到最低限度。能量损失与exergy损失，原则上是有着不同内容的。能量损失按其本质来说是不科学的，因为根据能量守恒原理，能量是不可能消失的，而对于某一个系统的损失，或者对某一目的的损失，如果一部分能量按其形式或者参数对其不利时，可以这么说。但是exergy则不同，它可以是完全的消失，它是与能量耗散相联系而消失的。由以上分析我们可以得出以下几个关于exergy损失的结论：（1） Exergy损失是由系统内部的不可逆性造成的，其值的大小取决于过程的不可逆程度，过程的不可逆程度越大，exergy耗散也越大。（2） 由于一切实际过程都是不可逆过程，exergy耗散实际上是不可避免的，只能设法减少，而不能完全消除。（3） 大部分情况下，耗散的exergy都是高质能。1.4 热量exergy及冷量exergy1.4.1 热量exergy定义：高于环境的系统，在给定环境条件下发生可逆变化时，通过边界传递的热量中所能做出的最大有用功，即热量相对于环境所具有的最大做功能力称为热量exergy。T-S图如下，其中（a）为变温情况，（b）为恒温情况。 热量exergy的模型可用下图表示：从上图可以看出，系统的温度高于环境温度，在系统与环境之间存在可逆热机做功。当系统向环境传出Q的热量后与环境达到平衡状态，热量Q并不能全部转换为功Wrev，热量exergy即表示能转换为功的那部分能量，不能转换的那部分称为热量anergy。于是可以得出： Q=EQ+AQ热量exergy的性质：（1） 热量exergy是热量所能转换的最大有用功，是热量本身的固有特性。系统放出热量时，同时放出了该热量中的exergy；反之，系统吸收热量时，同时吸收了该热量中的exergy。（2） 热量exergy的大小不仅与热量Q有关，还与环境温度及热源温度有关。（3） 热量anergy除了与环境温度有关，还与熵有关，所以系统在可逆传热过程中的熵变可以作为热量anergy的一种度量。（4） 热量exergy，热量anergy都与Q一样都是过程量。（5） 系统在物理寂态条件下传递的热量Q无法转换为有用功，热量全部为热量anergy。（6） 相同数量的热量Q，在不同温度条件下exergy不同。 1.4.2 冷量exergy 定义：工程上把与温度低于环境温度的物体交换的热量叫做冷量，即冷量就是热量的另一种表达方式，温度低于环境的系统向环境传出热量Q时所作出的最大有用功称为冷量exergy，这一过程需要一个可逆制冷机完成。T-S图如下，其中（a）为变温情况，（b）为恒温情况。 冷量exergy的模型可用下图表示：从上图可以看出，当系统的温度低于环境温度时，在系统与环境之间存在一个可逆制冷剂，将系统的热量传向环境，这时系统并没有对外做功的能力，而是依靠可逆制冷剂消耗功实现上述过程，所以我们可以认为这一过程冷量exergy为负值，系统并没有向外输出exergy，也没有对外做功，而是可逆制冷机对系统做了功，只有这样才能很好解释课堂上所讨论的关于冷量方向性以及冷量Exergy的一些相关问题。于是我们可以得出以下等式： AQ=Q+EQ EQ=Wrev冷量exergy的性质：（1） 冷量exergy是在给定环境条件下冷量所能做出的最大有用功，也是冷量的固有特性，与是否借助可逆热机无关。（2） 冷量也是热量，为过程量，所以冷量exergy和冷量anergy也是过程量。（3） 冷量exergy值不仅与冷量大小有关，而且还与冷量和环境温度有光，在给定环境温度情况下，一定冷量的冷量exergy随冷库温度的降低而增加。2.关于节能的探讨 我们知道能量中所含有的最大的做功能力定义为exergy，节能实质上就 是节exergy，它是能量在数量和质量上的统一。在能量的传递过程中总是伴有exergy的损耗，能量在转换的过程中质也会产生贬值，这些对能量的充分利用产生巨大的影响，所以想方设法减少能量在传递和利用过程中的exergy损失具有重大的意义。对于一个压水堆来说，从能量平衡方法分析时，能量损失的主要部位是在冷凝器，能量平衡分析方