41、火用、无用能与可持续性：能源领域的关键洞察

火用、无用能与可持续性：能源领域的关键洞察

1. 透平机械中的摩擦和耗散导致的火用损失

透平机械用于压缩或膨胀流体，这一过程总是伴随着固体壁面的摩擦以及流体内的耗散。
- 压缩过程 ：当流体被压缩时，这些效应会将来自转子的机械能（火用）转化为与流体局部温度相同的热量，从而降低了流体预期的火用增长。
- 膨胀过程 ：当流体膨胀时，这些效应会将流体的火用转化为与流体局部温度相同的热量，降低了轴的预期机械能输出，并增加了出口流体的比火用。

压缩机或涡轮将流体的状态从(p_1)、(T_1)改变为(p_2)、(T_2)。假设沿变化路径的耗散份额保持不变，就得到了所谓的多变效率，其值介于(0)到(1)之间。多变效率为(1)表示可逆过程，(1)减去多变效率就是转化为与流体局部温度相同热量的火用。

对于理想气体，可以用简单公式计算多变效率，但理想气体在自然界中并不存在。不过，空气和燃气轮机中常用的燃烧气体（布雷顿循环）的行为与理想气体相当接近，因此这些公式和多变效率在燃气轮机行业得到了广泛应用。

而蒸汽的行为与理想气体相差甚远，在膨胀过程中甚至会发生凝结成水（液滴）的现象。对于蒸汽机和汽轮机（朗肯循环），多变效率的计算需要进行繁琐复杂的近似。历史上，水和蒸汽的状态方程列在表格中，膨胀过程的计算则在温度 - 熵或焓 - 熵图中表示，这使得等熵效率的使用更为普遍：
[
\eta_{is} = \frac{\text{实际比焓降}}{\text{等熵理想比焓降}}
]

在这些图中，等熵效率很容易处理。如今，蒸汽所需的所有热力学性质都可以在