[科普中国]-理想功和损耗功-

定义理想功

任何产功过程对于确定的状态变化都存在一个最大功；任何耗功过程，对于确定的状态变化都存在一个最小功。无论产功还是耗功过程，就功的代数值而言，都有一个最大值。此功在技术上可以利用，因此称其为最大有用功，也称为理想功，用表示。1

损耗功损耗功的定义为系统在给定状态变化过程中所提供的理想功与所做出的实际功差值，记作。1

稳定流动过程的理想功计算公式已知

（1）状态1：有温度、压力、焓与熵值分别为的流体进入设备装置；

（2）状态2：有温度、压力、焓与熵值分别为的流体离开设备装置。

则稳定流动过程的理想功计算式为：1

推导过程在稳定流动过程理想功计算的示意图中，处于状态1时，温度、压力、焓与熵值分别为的流体进入设备装置。在可逆稳定流动过程中，推动机器做可逆轴功，同时排出热量Q；最后在状态2，即流体的温度、压力、焓与熵值分别为的状态下离开设备装置。1

为了对排出的热量Q进行充分利用，设置Cornot热机将部分热量转化为功，同时实现可逆传热。Cornot热机做出的功称为Cornot功，做功后，温度下降到，然后将温度的热量排到外界环境，外界环境就是Cornot热机的低温热源。由于流体在稳定流动过程中是变温的（由降到），排出热量Q时流体的温度也是变化的，而Cornot热机则要求恒温热源。为此可设想由无数个小Cornot热机连续操作完成。每一个小Cornot热机向高温热源吸收微量热，做出微量Cornot功。因为小Cornot机的高温源温度变化极小，可以近似视为恒温热源。无数个Cornot机向高温源吸收的总热量为Q，它们所做总的Cornot功为，向外界环境排放总的热量为。根据理想功的定义，在上述稳流过程中，理想功应是可逆轴功与Cornot功之和，即：

取包括Cornot机在内的设备装置，根据敞开系统稳定流动过程的热力学第二定律，即对于可逆过程，有：

由此得：

根据稳定流动过程的热力学第一定律，可得：

综合上式可得：

上式即为稳定流动过程的理想功计算式。1

注意事项（1）稳定流动过程的理想功是状态函数，它取决于它仅取决于流体的初态和终态，以及周围自然环境的温度，与具体的变化过程无关。从热力学函数角度看，它就是某种形式的系统Gibbs函数变化值；从数学函数看，它是系统状态（T,p和物质的量）和环境温度（）的函数，环境温度一般为大气、天然水域或大地等周围环境的温度。

（2）流体若是对外做功，则理想功为正值；反之，外界对流体做功，则理想功为负值。

（3）需要区分理想功与可逆轴功的概念与计算。有时可逆轴功是指无摩擦损耗的轴功，即流体在通过设备装置时内部所有的变化都是可逆的，无任何损耗效应，此情况下提供的轴功即为可逆轴功。而要获得理想功不仅要求设备装置内部可逆，还要求外部可逆，即系统与环境的换热也要可逆。这种情况只有借助于Carnot热机才能完成，所以理想功与可逆轴功之差值即为Carnot功。Carnot功可为正值也可为负值，因此理想功可大于也可小于可逆轴功。

（4）绝热过程的Carnot功为零，因此绝热过程的理想功与可逆轴功相等，理想功即为可逆轴功。1

非流动过程的封闭系统理想功的计算计算公式已知：

（1）为周围自然环境的温度；

（2）为系统初终状态的热力学能、熵和体积变化量；