[科普中國]-有效能

定義

或可定義為：一定形式的能量，在一定環(huán)境條件下變化到與環(huán)境平衡時(shí)所做出的最大的功。

一般而言，有效能的概念是針對熱能而言的，熱能被稱作“低質(zhì)能量”，它在做功時(shí)只能部分地轉(zhuǎn)化為有用功，另一部分不能轉(zhuǎn)化為有用功的被稱為無效能。

相比較于熱能，其它形式的能量，如電能，機(jī)械能等被稱作“高質(zhì)能量”，在理論上這些形式的能量能夠完全轉(zhuǎn)化為有用功，而熱能由于環(huán)境條件制約并受轉(zhuǎn)化過程的影響，從理論上講就不能夠完全轉(zhuǎn)化為有用功。

有效能是理論上可以轉(zhuǎn)化為任何其他能量形式的能量，或者說，是以熱力學(xué)平衡環(huán)境（簡稱平衡環(huán)境或環(huán)境）為基準(zhǔn)，通過可逆變化可以轉(zhuǎn)化為有用功的能量。它可說是能的“量質(zhì)兼顧”的量度。反之，不能轉(zhuǎn)化為有用功的能量稱為無效能。所以：

能=有效能+無效能

有效能B與能E之比B/E=R稱為能級,是能量質(zhì)量(品位)的量度。有效能分析是過程熱力學(xué)分析的主要方法。2

計(jì)算熱力學(xué)平衡環(huán)境是溫度T0、壓力p0(101.325kPa)的一無限大的平衡體系，作為能量和物質(zhì)兩者的源和阱，它在溫度不變時(shí)供熱或受熱，在組成不變時(shí)供給或接受物質(zhì)。系統(tǒng)對環(huán)境所作的體積功為無用功；扣除無用功之外的其他各種功，如機(jī)械功、電功等都是有用功。與環(huán)境達(dá)到平衡的系統(tǒng)內(nèi)能，不能轉(zhuǎn)化成有用功，所以是無效能。

熱量有效能BQ 是系統(tǒng)的熱量通過在給定環(huán)境下工作的可逆熱機(jī)所能作出的最大有用功。當(dāng)系統(tǒng)溫度恒定時(shí)，可用下式計(jì)算：

式中Q為熱量，系統(tǒng)吸熱時(shí)為正值，放熱時(shí)為負(fù)值；(1-T0/T)為卡諾因子，即熱機(jī)效率，其中T和T0分別為系統(tǒng)和環(huán)境的溫度。此式表明：系統(tǒng)溫度與給定環(huán)境溫度相等時(shí)，熱量有效能為零，即這時(shí)的熱量全部是無效能。

系統(tǒng)有效能可分為物理有效能和化學(xué)有效能。處于一定狀態(tài)下的系統(tǒng)，經(jīng)過可逆的（不包括擴(kuò)散）物理過程，與給定環(huán)境達(dá)到熱平衡和力平衡時(shí)所能提供的最大有用功為物理有效能。進(jìn)一步經(jīng)過可逆的擴(kuò)散過程和化學(xué)過程，與給定環(huán)境達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)所能提供的最大有用功為化學(xué)有效能。

定態(tài)流動過程中物流的物理有效能為：

Bph=H-H0-T0(S-S0)

式中H、S和H0、 S0分別為物流在系統(tǒng)狀態(tài)和給定環(huán)境時(shí)的焓和熵。化學(xué)有效能Bch原則上也用上式計(jì)算，但需要應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓和元素化學(xué)有效能的數(shù)據(jù)。2

特性有效能具有以下特性：

①根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在一切過程中，有效能和無效能的總量不變；

②根據(jù)熱力學(xué)第二定律，自然界中一切過程都是具有方向性和不可逆性的，同樣有效能的變化也具有方向性和不可逆性：在可逆過程中，有效能守恒；在不可逆過程中，由于有效能向無效能轉(zhuǎn)化，有效能不斷減少。

由過程不可逆性引起的有效能轉(zhuǎn)化為無效能的損失，稱為有效能損失。它是能量變質(zhì)的量度，可用下式計(jì)算：

DEx=T0ΔSg

式中 ΔSg是過程的不可逆性熵增量。不可逆性的主要來源包括摩擦、溫差的傳熱、濃差的擴(kuò)散及不平衡的化學(xué)反應(yīng)等。減少過程阻力、推動力或速率，可以減少有效能損失，是過程節(jié)能的重要途徑。但是在許多情況下,有效能損失是有價(jià)值或效益的，并非越小越好。

有效能效率 也稱熱力學(xué)效率，是過程熱力學(xué)完善程度的一種量度，因而也是過程用能好壞的重要評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)效率的普遍定義：

有效能效率=有效能效益/有效能消耗

有效能消耗=有效能效益+有效能損失

應(yīng)用在有效能分析基礎(chǔ)上可以找到減少能量變質(zhì)以節(jié)省能耗的途徑。它的主要特點(diǎn)是節(jié)能于變廢之前，而不是利用于變廢之后。例如，卜內(nèi)門化學(xué)工業(yè)公司大型低壓甲醇裝置盡管廢能的量還相當(dāng)大,但品位很低,難以再回收利用。然而，按照減少變質(zhì)的途徑，仍有節(jié)能潛力可挖。由于轉(zhuǎn)化工序有效能損失最大，計(jì)劃開發(fā)一種更耐熱的爐管材料,使轉(zhuǎn)化管出口溫度從目前的880°C提高到950°C，則可進(jìn)一步節(jié)能。

節(jié)能的熱力學(xué)或熱經(jīng)濟(jì)學(xué)方法發(fā)展很快。例如，熱的有效能圖法是以熱的有效能圖分析和綜合為基礎(chǔ)，以過程熱集成為特點(diǎn)的節(jié)能型過程設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)應(yīng)用在換熱、蒸餾、反應(yīng)、深冷等化學(xué)工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)中。又如，蘇聯(lián)科學(xué)院院士Β.Β.卡法羅夫等人提出熱經(jīng)濟(jì)最佳的化學(xué)工藝系統(tǒng)構(gòu)成法等，對實(shí)際工作有一定指導(dǎo)意義。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的研究報(bào)告認(rèn)為，有效能分析在過程的研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)中最為有用。