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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。

定态流动过程中物流的物理有效能为：

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

式中H、S和H0、 S0分别为物流在系统状态和给定环境时的焓和熵。化学有效能Bch原则上也用上式计算，但需要应用标准生成自由焓和元素化学有效能的数据。

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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。

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。

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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能。所以：

能=有效能 无效能

有效能B与能E之比B/E=R称为能级,是能量质量(品位)的量度。有效能分析是过程热力学分析的主要方法。

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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。

由过程不可逆性引起的有效能转化为无效能的损失，称为有效能损失。它是能量变质的量度，可用下式计算：

DEx=T0ΔSg

式中 ΔSg是过程的不可逆性熵增量。不可逆性的主要来源包括摩擦、温差的传热、浓差的扩散及不平衡的化学反应等。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。根据效率的普遍定义：

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 有效能损失

最大耗散功率（Maximum dissipation power）：

（1）对于双极型晶体管：

BJT的总耗散功率为Pc=Ie Vbe Ic Vcb Ic rcs ≈ Ic Vcb），并且Pc关系到输出的最大交流功率Po：Po = (供给晶体管的直流功率Pd) – (晶体管耗散的功率Pc) = [η/(1–η)]Pc ∝ Pc，即输出交流功率与晶体管的耗散功率成正比（η= Po / Pd是转换效率）。晶体管功率的耗散(消耗)即发热，如果此热量不能及时散发掉, 则将使集电结的结温Tj升高, 这就限制了输出功率的提高；最高结温Tjm（一般定为175 oC）时所对应的耗散功率即为最大耗散功率Pcm 。为了提高Po，就要求提高Pc, 但Pc的提高又受到结温的限制，为使结温不超过Tjm，就需要减小晶体管的热阻Rt；最大耗散功率Pcm ∝1/ Rt 。最高结温Tjm时所对应的最大耗散功率为(Pcms≥Pcm )：稳态时， Pcm = (Tjm–Ta) / Rt ；瞬态时，Pcms = (Tjm–Ta) / Rts 。

提高PCM的措施，主要是降低热阻RT和降低环境温度Ta ；同时，晶体管在脉冲和高频工作时, PC增大, 安全工作区扩大，则最大耗散功率增大，输出功率也相应提高。

（2）对于MOSFET：

其最大输出功率也要受到器件散热能力的限制：Pcm = (Tjm–Ta) / Rt，MOSFET的最高结温Tjm仍然定为175 oC, 发热中心是在漏结附近的沟道表面处, 则Rt主要是芯片的热阻 (热阻需要采用计算传输线特征阻抗的方法来求出)。

要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变、耗散结构。

耗散结构理论远离平衡态与平衡态

远离平衡态

远离平衡态指系统内可测的物理性质极不均匀的状态。远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的，这一状态下系统的热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反，正如耗散结构理论所指出的，系统将走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。

✳近平衡态

近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区，它遵守昂萨格倒易关系和最小熵产生原理。前者可表述为：Lij=Lji，即只要和不可逆过程i相应的流Ji受到不可逆过程j的力Xj的影响，那么，流Ji也会通过相等的系数Lij受到力Xi的影响。后者意味着，当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态(即零熵产生)时，系统就落入最小耗散(即最小熵产生)的态。

✳平衡态

平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(从而系统内部没有宏观不可逆过程)的状态，它分别遵守

①热力学第一定律：dE=dQ-pdV，即系统内能的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功；

②热力学第二定律：dS/dt>=0，即系统的自发运动总是向着熵增加的方向；

③波尔兹曼有序性原理：pi=e-Ei/kT，即温度为T的系统中内能为Ei的子系统的比率为pi。

耗散结构理论非线性作用

如果系统内子系统之间存在着并非一一对应、而是随机进行的相互作用，则可认为这些子系统间存在着非线性相互作用。

系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用。在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。

耗散结构理论开放系统

开放系统是指与外界环境存在物质、能量、信息交换的系统。例如，一座城市就是一个开放系统：不断有人外出和进入，生产的产品和原料也要川流不息地运人及运出。

根据热力学第二定律可知，孤立系统绝不会出现耗散结构。因为随着时间累积，孤立系统的熵将不断增加并达到极大值，使系统达到最无序的平衡态。

而在开放的条件下，系统的熵增量dS是由系统与外界的熵交换deS和系统内的熵产生diS两部分组成的，即：dS=deS diS。热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负，即diS>=0，然而外界给系统注入的熵deS可为正、零或负，这要根据系统与其外界的相互作用而定。在deS<0的情况下，只要这个负熵流足够强，除了可以抵消掉系统内部的熵增量diS，还能使系统的总熵增量dS为负，总熵S减小，从而使系统进入相对有序的状态。对于开放系统来说，系统可以通过自发的对称破缺从无序进入有序的耗散结构状态。

耗散结构理论认为，“开放”是所有系统向有序发展的必要条件。如一个企业只有开放才能获得发展，这种开放不仅是输出产品，输入原料，而且涉及人才、技术和管理等方面。不断引进入才和技术，不断更新设备，才能使企业充满生机和活力。

耗散结构理论涨落

系统的实际运行状态与理论的统计反映状态是有差异的，它们之间的偏差现象称涨落。

一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏观量是众多子系统的统计平均效应的反映。但系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。

在正常情况下，由于热力学系统相对于其子系统来说非常大，这时涨落相对于平均值是很小的，即使偶尔有大的涨落也会立即耗散掉，系统总要回到平均值附近，这些涨落不会对宏观的实际测量产生影响，因而可以被忽略掉。然而，在临界点(即所谓阈值)附近，情况就大不相同了，这时涨落可能不自生自灭，而是被不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏观态。

当在临界点处系统内部的长程关联作用产生相干运动时，反映系统动力学机制的非线性方程具有多重解的可能性，自然地提出了在不同结果之间进行选择的问题，在这里瞬间的涨落和扰动造成的偶然性将支配这种选择方式，所以普里戈金提出涨落导致有序的论断，它明确地说明了在非平衡系统具有了形成有序结构的宏观条件后，涨落对实现某种序所起的决定作用。

耗散结构理论突变

在系统临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。

阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义。在控制参数越过临界值时，原来的热力学分支失去了稳定性，同时产生了新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用。这种耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。

从开放系统的角度看，突变是使系统从无序混乱走向有序井然的关键。当开放系统内部某个参量的变化达到一定阈值时，它就可能从原来无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上和功能上的有序状态，即耗散结构。

耗散结构理论耗散结构

耗散结构是指远离平衡态的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件变化达到一定阈值(形成足够的负熵流)时，通过内部的作用（涨落、突变）产生自组织现象，使系统从原来的无序状态自发地转变为时空上和功能上的宏观有序状态，从而形成的新的、稳定的有序结构。

如一壶水放在火炉上，水温逐渐升高，但水开后水蒸气不断蒸发，壶中的水和空气就形成了一个开放系统，带走了火炉提供的热量，水温不再升高，达到了一种新的稳定状态。

消能器又称为阻尼器，其核心在于耗散能量，根据消能器工作原理的不同，主要有摩擦消能器、金属屈服型消能器、粘弹性消能器和粘滞型消能器。调频质量和调频液体等通过改变结构频率吸收能量的装置也是一种消能器。此外,利用电/磁流变液体、压电材料和电/磁致伸缩材料等智能材料可制成主动控制和半主动控制的变阻尼装置。