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市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

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6-2 6-2 值计算值计算值计算值计算6-3 热力过程热力过程 分析分析6-4 效率效率Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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。能所不一样特殊属性。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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：在在两两热热源源间间工工作作热热机机，其其循循环环热热效效率率最最大大值值等等于于卡卡诺诺循循环环热热效效率率。在在一一定定环环境境中中，低低温温热热源源可可到到达达最最低低温温度度为为环环境境温温度度T0，所所以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 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 Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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：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其中中，ex为为单单位位工工质质 ，称称为为比比 (J/kg)；an为为单单位位工工质质 ，称称为为比比 (J/kg)。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.第第5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66-2 值计算值计算一、热量一、热量 在在环环境境温温度度T0确确定定条条件件下下，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部部分称为分称为热量热量 ，以，以Ex,Q 表示。表示。假假设设温温度度为为T热热源源，向向温温度度为为T0环环境境传传递递热热量量Q，则则该该热热量量 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之之间间工工作作可可逆逆热热机机所所能能作作出出最最大大有有用功（循环净功），即用功（循环净功），即 热量热量 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-Aspose Pty Ltd.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。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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 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 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，工质所作可逆功为其中其中即即Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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 因因为为系系统统总总是是处处于于一一定定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，必必因因推推进进压压力力为为p0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)，故实际上可利用有效作功效力为，故实际上可利用有效作功效力为 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。则则Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.第第9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 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。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 ：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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 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 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 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Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.第第11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最最大大作作功功效效力力，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 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 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 ：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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 当当稳稳定定流流动动开开口口系系统统进进口口及及出出口口状状态态给给定定时时，系系统统作作功功效效力力也也可表示为可表示为 参数关系：参数关系：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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 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 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-Aspose Pty Ltd.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量 ：系统向外输出功量系统向外输出功量 ：系统内系统内 值改变：值改变：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 所以闭口系统所以闭口系统 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-Aspose Pty Ltd.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 Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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17 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 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。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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，有系统内部系统内部 值是不变，即值是不变，即开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Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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 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 及及，Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.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热热力力学学完完善善程程度度指指标标，比比热热效效率率更更能能深深刻刻地揭示能量转换、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。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-Aspose Pty Ltd.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21Evaluation only.Created with Aspose.Slides for.NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright-Aspose Pty Ltd.第第21页页