4.4.1 有效能（ ） 的概念
能量不仅有数量的大小，而且还有品质(位)的高低。 能量品质的高低体现在它的转换能力上，即能量转换为 功的能力。
按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：
高(品)质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。质 和量是统一的，如电能、机械能、动能、位能；
低(品)质能量：能部分转化为有用功的能量。如物质的 内能(焓)、热能和以热的形式传递的能量。
4.4.2 物理火用的计算
定义：物系经可逆物理过程达到约束性死态时所作 的最大有用功即为该物系的物理火用。即指物系由
于T、p与环境的T0、p0不同所具有的火用。
物理死态(约束性死态)： 一般取环境状态T0＝25℃（298.15K） p0＝1atm (101.325 kPa)
当体系处于环境状态(T0、p0)时，Ex＝0
由于动能和位能对火用的贡献很小，可忽略不计， 此时：
火用＝物理火用＋化学火用
物理火用：物系由所处的状态到达与环境成约束性 平衡状态所提供的最大有用功，即为该物系的物理
火用。即物系仅由于T、p与环境的T0、p0不同所具
有的火用。
化学火用：体系和环境由约束性平衡状态到达非约 束性平衡状态所提供的最大有用功即为该体系的化 学火用。即物系在环境的T0、p0下，由于组成与环 境组成不同所具有的火用。
稳流物系火用Ex的数学表达式
任意状态
（T，p，H，S）
基态 （T0, p0, H0 , S0）
Ex (H0 H ) T0 (S0 S ) H T0S
(5-47)
对稳流体系
上式就是稳流体系在任意状态时的火用计算式。它 是火用计算的基本公式，适用于各种物理的、化学 的或者两者兼有的火用计算。 火用也是体系的状态函数，而且与环境的状态有关。 （火用为复合的状态函数）
僵态能量：理论上不能转化为功的能量。如海水、地壳、 处于环境状态下的能量；
为了衡量能量的可利用程度或比较体系在不同 状态下可用于作功的能量大小， 1932年Keenen 提出了能量的“可用性”概念，1956年Rant首 先提出有效能的概念。
国外：exergy, essergy, availability, available energy, utilizable energy …
所谓的基准态就是体系变化到与周围自然环境 达到完全平衡的状态。这种平衡包括热平衡、 力平衡和化学平衡。
平衡的环境状态即为热力学死态(寂态)，体系 处于热力学死态时，火用为零。即基准态下体 系的作功能力为零。
当体系和环境仅有热平衡和力平衡而未达到化学 平衡，这种平衡称为约束性平衡。体系与环境达 到约束性平衡时的状态，称为“约束性死态”或 “物理死态”。
1atm=p0 CO气体
化学
放热
Wc
WR
298K=T0 1atm=p0
CO+O2
燃烧
等温扩散 CO2 (膨胀)
＞ p p产物 CO 2
大气 CO 2
298K 1atm
p ＝p 产物 CO 2
大气 CO 2
4.4 过程火用分析
4.4.1 火用的概念 4.4.2 物理火用的计算 4.4.3 化学火用的计算 4.4.4 火无 4.4.5 不可逆性和火用损失 4.4.6 火用衡算及火用效率 4.4.7 火用分析法及其应用
国内： 、有效能、可用能、资用能等 我们采用：有效能、 ，并用符号Ex表示 我国国标称为 (exergy)
1). （有效能）的定义：
由体系所处的状态到达基准态所提供的最大有
用功即为体系处于该状态的火用。用Ex表示
（无效能）：理论上不能转化为有用功的
能量。
为表达体系处于某状态的作功能力，先要确定 一个基准态，并定义在基准态体系作功能力为 零。
稳流物系的火用变化ΔEx
稳流物系从状态1变化到状态2所引起的 火用的变化为
E x E x2 E x1 ( H 2 H1 ) T0 ( S2 S1 )
Ex H T0S
理想功与火用的关系
对稳流体系理想功和火用的计算式分别为： 理想功 Wid H T0S (H2 H1 ) T0 (S2 S1 )
通常，体系由约束性平衡状态到达非约束性平衡状 态须经化学反应与物理扩散两个过程。
例：确定1273K，10atm的CO气体有多大的做 功能力，其 为多少？ 假定环境温度T0＝25℃， p0＝1atm
物理
Wc
WR
1273K
298K
298K=T0
10atm CO气体
卡诺机
10atm CO气体
可逆 膨胀机
第四章 化工过程的能量分析
4.1 能量平衡方程及其应用 4.2 热力学第二定律与熵平衡 4.3 理想功和损失功 4.4 过程火用分析
4.4 过程火用分析
4.4.1 火用的概念 4.4.2 物理火用的计算 4.4.3 化学火用的计算 4.4.4 火无 4.4.5 不可逆性和火用损失 4.4.6 火用衡算及火用效率 4.4.7 火用分析法及其应用
始态1 Ex1
Wid 基态
终态2பைடு நூலகம்
Ex
2
E x E x2 E x1 ( H 2 H1 ) T0 ( S2 S1 ) Wid
∴ 理想功是终态与始态火用的差值
几种常见情况的火用计算
1) 功、电能和机械能的火用——本身的数值 2) 热的有效能(热量 )ExQ
热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能 力即为热的有效能(热量 )。 按Carnot循环所转化的最大功来计算。
火用
Ex (H H0 ) T0 (S S0 )
火用变化
1）共同点：都用以表示能量品质的高低，并以作 出的最大功来计算，都是从热力学第一、第二 定律推导而得。
2) 区别
理想功是对两个状态(过程)而言，可正可负，而 火用是对某一状态而言，与环境有关，只为正 值。
对理想功，其始态和终态不受任何限制，而 火用的终态必须是基准态(环境状态)。
若体系与环境既有热平衡、力平衡且又有化学平 衡，则这种平衡称为非约束性平衡。体系与环境 达到非约束性平衡时的状态，称为“非约束性死 态”或“化学死态”。
2). 火用(有效能)的组成
对于没有核、磁、电与表面张力效应的过程，稳流 体系的火用可由下列四个主要部分组成：
火用Ex＝动能火用Ex,K＋位能火用Ex,p ＋物理火用Ex,ph ＋化学火用Ex,ch