㶲是什么?关于㶲的详细介绍

创闻科学2020-11-17 13:24:24

㶲(Exergy)是热力学系统中的能量参数,表示在环境条件下,能量中可以转化为有用功的最高能量,因此又可以称作有效能、可用能。㶲的概念把能量的“量”和“质”结合起来评价能量的价值,深刻地揭示了能量在传递和转化过程中能质退化的本质,为合理用能、节约用能指明了方向。

㶲的定义

㶲(Exergy)是能量可用性、可用能、有效能等概念的统称,其单位为焦耳(J),常用字母表示。单位质量物质的㶲称为比㶲(Specific Exergy),常用字母表示。

衡量能量“质”的指标是根据其做功能能来判断的,因此可以根据能量转化能力将能量分为三类:

  1. 可以完全转换的能量,如机械能、电能等,理论上可以百分之百地转换为其他形式的能量,这种能量的“量”和“质”完全统一,转换能力不受约束。

  2. 可部分转换的能量,如热量、内能等,这种能量的“量”和“质”不完全统一,转换能力受到热力学第二定律约束。

  3. 不能转换的能量,如环境内能,这种能量只有“量”,没有“质”。

由于能量的转换与环境条件和过程特性有关,为了衡量能量的最大转换能力,人们规定环境状态作为基态(其能质为零),而转换过程应为没有热力学损失的可逆过程,由此得出㶲的定义:当系统由任意状态可逆转变到与环境状态相平衡时,能最大限度转换为“可完全转换”能量的那部分能量称为㶲(exergy),不能完全转换为㶲的那部分能量称为㷻(音:wú,英文:anergy)。

显然,前述三种能量中,第一种是㶲、第三种是㷻、第二种则包含了㶲和㷻。也即可以认为:

应用以上概念,可以对能量转换规律进行表述:

热力学第一定律:能量守恒,即㶲和㷻的总量守恒,即

热力学第二定律:一切实际热力过程中不可避免地发生部分㶲退化为㷻,而㷻不能再转化为㶲,可称为孤立系统㶲降原理,并且表示为

由此可见,㶲和熵都可以作为过程方向性和热力学性能完善性的判据。

发展历史

1712年英国工程师托马斯·纽科门(Thomas Newcomen,1664-1729)发明了第一台活塞式蒸汽机;1769年英国皇家学会院士、爱丁堡皇家学会会士詹姆斯·瓦特(James von Breda Watt,1736-1819)改良了工业蒸汽机。这些突破奠定了工业革命的重要基础,欧洲大陆上的各类动力引擎以及逐渐取代了传统的手工劳作。

然而彼时,大量的蒸汽机被用于工业时间,然而缺乏关于蒸汽机运作的科学理论。甚至一直到1824年,能量守恒定律依然是诸多科学家、工程师争议的焦点,尽管在今日看来这些定律已然成为颠簸不破的真理。

1824年,法国物理学家、工程师、热力学之父尼古拉·卡诺(Nicolas Léonard Sadi Carnot,1796-1832)便指出在高温热源与低温热源间工作的热机,若从高温热源吸热,则对外所做的功最多为

1868年,苏格兰物理学家皮特·泰特(Peter Tait,1831-1901)提出了availability(可用度)的概念。

1871年,麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879)提出了available energy(可用能)的概念。

1873年,美国科学家威拉德·吉布斯(Josiah Willard Gibbs,1839-1903)推出了内能㶲的计算公式。吉布斯的计算,可以说是真正从理论上定义了㶲的内涵。

20世纪30年代,美国科学家约瑟夫·亨利·基南(Joseph Henry Keenan,1900-1977)提出将“物系与介质间相互作用产生的最大功”称之为有效能。

1956年斯洛文尼亚机械工程师佐拉·朗特(Zoran Rant,1904–1972)用希腊词根“ex”和“ergon”(意为来自功,from work)拼出单词exergy,定义为“能量中可以转变的部分”,并得到广泛使用。

1957年东德学者诺贝尔特·艾勒斯纳(Nobert Elsner)来中国讲学时,南京工学院的夏彦儒、王守泰等教授将讲稿《热工讲演集》中的exergy首译为“㶲”,并逐渐得到中国大陆能源界的公认。

20世纪80年代,华东工学院的杨东华教授将anergy首译为“㷻”。

稳流过程㶲计算

热力学,上常规定末态即为环境状态,经历的过程为完全可逆。这样,得到体系的做功能力就是系统状态变化时的最大可用能量。需要说明的是,在热力学上被称为基态或热力学死态。在这种状态下,体系通常再也没有做功能力。

根据㶲的定义,它是一种末态为基态的理想功。假设物流从1状态经历稳流过程变为2状态,当系统的动能和重力势能忽略不计时,可以得到:

从上式可以看出,㶲虽然是的状态函数,但同时也取决于基态(环境)性质。从这个意义上说,基态的㶲为零。上式中,为系统具有的能量,为系统的无效能,即㷻。系统的熵越大,体系内分子热运动的混乱程度也越高,因此㷻的量也越大。

㶲分为物理㶲(physical/thermal exergy)和化学㶲(chemical exergy)两部分。物理㶲指的是由物理参数(如温度、压力等)决定的那部分㶲;化学㶲则是由化学组成、结构、浓度等因素决定的㶲。如果一股物流同时具有这两种㶲,则在计算时应予以加和。

下表中列出深冷储能技术中常用流体的㶲信息:

液化介质 物理㶲(kJ/kg) 化学㶲(kJ/kg) 气态密度(kg/m³) 液态密度(kg/m³)
液氢 11987 116528 0.0824 70.85
液氮 762 0 1.1452 806.08
液化甲烷(液化天然气) 1081 51759 0.6569 422.36

从中可以看出,环境中处于基态的液氮没有化学㶲,而液氢等物质既有物理㶲也有化学㶲。