有效能（物理学术语）

有效能

物理学术语

有效能，物质从高温、高压的状态变为低温、低压时可以释放出能量，并通过某种机器利用其中一部分能量做功。但若机器本身的状态不变时，在做功过程中一部分能量总是以热量的形式排到低温，能够做功那部分能量最多不能超过释出的总能量的一定的份额。这最大可能做功的能量份额称为有效能。

定义

或可定义为：一定形式的能量，在一定环境条件下变化到与环境平衡时所做出的最大的功。

一般而言，有效能的概念是针对热能而言的，热能被称作“低质能量”，它在做功时只能部分地转化为有用功，另一部分不能转化为有用功的被称为无效能。

相比较于热能，其它形式的能量，如电能，机械能等被称作“高质能量”，在理论上这些形式的能量能够完全转化为有用功，而热能由于环境条件制约并受转化过程的影响，从理论上讲就不能够完全转化为有用功。

有效能是理论上可以转化为任何其他能量形式的能量，或者说，是以热力学平衡环境（简称平衡环境或环境）为基准，通过可逆变化可以转化为有用功的能量。它可说是能的“量质兼顾”的量度。反之，不能转化为有用功的能量称为无效。

计算

热力学平衡环境是温度T0、压力p0(101.325kPa)的一无限大的平衡体系，作为能量和物质两者的源和阱，它在温度不变时供热或受热，在组成不变时供给或接受物质。系统对环境所作的体积功为无用功；扣除无用功之外的其他各种功，如机械功、电功等都是有用功。与环境达到平衡的系统内能,不能转化成有用功,所以是无效能。

热量有效能BQ是系统的热量通过在给定环境下工作的可逆热机所能作出的最大有用功。当系统温度恒定时，可用下式计算：

式中Q为热量，系统吸热时为正值，放热时为负值；(1-T0/T)为卡诺因子，即热机效率，其中T和T0分别为系统和环境的温度。此式表明：系统温度与给定环境温度相等时，热量有效能为零，即这时的热量全部是无效能。

系统有效能可分为物理有效能和化学有效能。处于一定状态下的系统，经过可逆的（不包括扩散）物理过程，与给定环境达到热平衡和力平衡时所能提供的最大有用功为物理有效能。进一步经过可逆的扩散过程和化学过程，与给定环境达到化学平衡时所能提供的最大有用功为化学有效能。

特性

有效能具有以下特性：

①根据热力学第一定律，在一切过程中，有效能和无效能的总量不变；

②根据热力学第二定律，自然界中一切过程都是具有方向性和不可逆性的，同样有效能的变化也具有方向性和不可逆性：在可逆过程中，有效能守恒；在不可逆过程中，由于有效能向无效能转化，有效能不断减少。

减少过程阻力、推动力或速率，可以减少有效能损失，是过程节能的重要途径。但是在许多情况下,有效能损失是有价值或效益的，并非越小越好。

有效能效率也称热力学效率，是过程热力学完善程度的一种量度，因而也是过程用能好坏的重要评价指标。

应用

在有效能分析基础上可以找到减少能量变质以节省能耗的途径。它的主要特点是节能于变废之前，而不是利用于变废之后。例如，卜内门化学工业公司大型低压甲醇装置尽管废能的量还相当大，但品位很低，难以再回收利用。然而，按照减少变质的途径，仍有节能潜力可挖。由于转化工序有效能损失最大，计划开发一种更耐热的炉管材料，使转化管出口温度从目前的880°C提高到950°C，则可进一步节能。

近年来，节能的热力学或热经济学方法发展很快。例如，热的有效能图法是以热的有效能图分析和综合为基础，以过程热集成为特点的节能型过程设计方法，已经应用在换热、蒸馏、反应、深冷等化学工艺系统的设计改进中。又如，苏联科学院院士Β.Β.卡法罗夫等人提出热经济最佳的化学工艺系统构成法等，对实际工作有一定指导意义。美国国家标准局的研究报告认为，有效能分析在过程的研究、开发和设计中最为有用。

参考资料

1.有效能availability，exergy·中国煤化工