第6章-物理佣

第六章物理火用,主要内容,6.1能量和火用6.2自然环境和环境状态6.3机械火用6.4热量火用和冷量火用6.5闭口系统工质的火用热力学能(内能)火用6.6稳定流动系统工质的火用(焓火用)6.7理想气体的焓火用6.8工质的火用熵图和火用焓图,第一节能量和用,热力学第一定律确立了各种能量在传递与转换过程中的数量关系“量”守恒。热力学第二定律指出了能量传递与转换过程的方向性与不可逆性，即能量转换存在不等价性能量的“品质”问题。卡诺定理给出了工作于高温热源和低温热源之间的热机将吸收的热量转变为功的最高限度。,各种不同形式的能量转换为功的能力是不同的。能够转变为有用功的那部分能量称为该能量的火用或有效能。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或无效能，亦即，火无是能量中不能转变为火用的那部分能量，它相当于周围自然环境的能量。火用表征能量转变为功的能力和技术上的有用程度，可以用于评价能量的品质或级位。,在卡诺循环和卡诺定理学完后，引出热火用和热火无的概念,显然，,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”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他变化”。,我们可以将任一种形式的能量看成由火用和火无组成,（1）,第二节自然环境和环境状态,一自然环境，环境状态,不完全热力学平衡：当研究的系统不涉及化学反应或扩散等过程时，系统与环境处于力平衡和热平衡，就可以认为与环境达到了热力学平衡。完全热力学平衡：当研究涉及化学反应系统，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。系统的环境状态根据研究目的和对象也有所不同，可以是完全平衡的环境状态也可以是不完全平衡的环境状态。,二、物理火用和化学火用,根据热力学第二定律，环境所具有的能量(内热能)全由火无组成。当系统与环境处于热力学不平衡时，或者说，当系统的状态不是处于环境状态时，都可能含有火用。环境状态有完全平衡环境状态和不完全平衡环境状态之分，那么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准状态，此时系统能量所具有的火用称为能量的物理火用；当研究的系统涉及化学反应及扩散时，常取完全平衡环境状态作为基准状态，此时系统所具有的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。,对于完全平衡环境状态,对于不完全平衡环境状态,为物理火用；为化学火用。,（2）,（3）,第三节机械用,一机械能火用,图1闭口系统的体积变化功,二机械功火用,体积变化功中的无用功,如果系统进行的过程是可逆过程，则,（7a）,（7b）,（6b）,（6a）,第四节热量火用和冷量火用,一热量火用,图2热火用和火无在T-S图上的表示,热量火用在热量的量确定的条件下，其值与热量的温度和环境温度有关，即与卡诺系数有关。,表1不同温度t和下的卡诺系数,/,/,t,图3借可逆机计算冷量火用,二冷量火用,图4冷量和火无在T-S图上的表示,单位热量(含冷量)的热量火用(含冷量火用)与温度T的关系表示如下：,图5热量火用和温度T的关系,第五节闭口系统工质的火用内能火用,任意闭口系统具有宏观动能、宏观位能和内能。内能火用定义：从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所做的最大有用功。宏观动能和位能全是火用。下面所谈及的闭口系统的火用，在不加说明时就是指闭口系统的热力学能（内能）火用。,图6计算闭口系统火用的示意图,一闭口系统工质火用的表达式,当闭口系统只与环境交换热量时，从状态1可逆地转变到另一状态2所能做的最大有用功为,闭口系统从初态可逆地转变到终态所能做的最大有用功只与初、终态有关，与具体过程无关，并等于系统热力学能火用的减少。,（16）,选取过程：1m0过程1m：可逆绝热过程过程m0：可逆定温过程,图7闭口系统火用在p-v图上的表示,二闭口系统的火用在pv图上的表示,（17）,（18）,根据热力学微分关系式的第三熵方程,当,时有,（19）,三闭口系统的火用的特征,图8验证闭口系统恒为正值的p-v图,第六节稳定流动系统工质的火用(焓火用),当稳定的工质流流入（或流出）开口系统时，系统增加（或减少）的能量为。在无其他热源的情况下，稳定流动（开口）系统所做有用功的能量来源是流入系统时稳定物流（工质）具有的（或转移）能量。稳定流动系统工质的火用：稳定物流从任意一给定状态流经开口系统以可逆方式转变到环境状态，并且只与环境交换热量时所做的最大有用功。,根据热力学第一定律，对于稳定流动系统有:,图9计算稳定流动系统用的示意图,一稳定流动系统火用的计算式,稳定流动物流(焓)火用和闭口系统(热力学能)火用都是状态参数。无论采用什么样的途径，从给定状态变化到环境状态，稳定流动工质所做的最大有用功都相等。,二焓火用状态参数，推导稳流焓火用的其他途径,例子一：绝热系统+定温系统,图10计算稳定流动系统火用的示意图,图11稳定物流火用在p-v图上的表示,图10计算稳定流动系统火用的示意图,图11稳定物流火用在p-v图上的表示,例子一：可逆吸热稳定流动系统+可逆机,图12计算稳定物流火用的示意图,三稳流工质所做的最大有用功,1.在p-v图上的表示,图11稳定物流火用在p-v图上的表示,四稳流焓火用的图示,2.在Ts图上的表示,图13稳定物流焓火用在T-s图上表示,3.hs图上的表示,状态位于环境直线上的稳定物流的火用值为0；状态位于环境直线以上的所有物流的火用值为正；状态位于环境直线以下的所有物流的火用值为负。,图14稳定物流在h-s图上的表示,第七节理想气体的焓火用,一温度火用和压力火用,在建立了温度和压力火用的概念之后，任意热力过程稳定物流火用的变化为温度火用变化和压力变化之和。,二温度火用和压力火用的应用,第八节工质的火用熵图和火用焓图,在一定的环境状态下，稳定物流的火用是状态的函数。因此，可以用火用函数来构造状态坐标图，从而可以从已知参数直接在图上读出给定状态的火用值，以及给定过程火用的变化，给设备或过程的火用分析带来方便。常用的有火用熵图和火用焓图。,图中示有饱和曲线、定压线、定焓线和定温线。,图16水蒸气的火用熵图,一工质的火用熵图,湿蒸气区，定压线也是定温线，为一簇斜率不相等的直线。在过热蒸气区，火用熵图