Эксергия

«Доступная энергия» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о концепции физики элементарных частиц, см. Доступную энергию (столкновение частиц) .

Эксергия , часто называемая «доступной энергией » или «полезным рабочим потенциалом», является фундаментальной концепцией в области термодинамики и техники. Он играет решающую роль в понимании и количественной оценке качества энергии в системе и ее потенциала выполнять полезную работу. Эксергетический анализ имеет широкое применение в различных областях, включая энергетику, экологию и промышленные процессы.

С научной и инженерной точки зрения эксергетический анализ, основанный на втором законе, ценен, поскольку он дает ряд преимуществ по сравнению с одним только энергетическим анализом. Эти преимущества включают основу для определения качества энергии (или содержания эксергии). ), улучшая понимание фундаментальных физических явлений, а также улучшая дизайн, оценку производительности и усилия по оптимизации. В термодинамике эксергия системы — это максимальная полезная работа , которую можно произвести, когда система приводится в равновесие с окружающей средой посредством идеального процесса. Спецификация «идеального процесса» позволяет определить объем производства «максимальной работы». С концептуальной точки зрения, эксергия — это «идеальный» потенциал системы совершать работу или вызывать изменения при достижении равновесия с окружающей средой. Эксергия также известна как «доступность». Эксергия отлична от нуля, когда существует неравновесие между системой и ее средой, и эксергия равна нулю, когда устанавливается равновесие (состояние максимальной энтропии для системы плюс ее среда).

Определение эксергии было одной из первоначальных целей термодинамики . Термин «эксергия» был придуман в 1956 году Зораном Рэнтом (1904–1972) с использованием греческих слов ex и ergon , что означает «от работы ». ^[3] но эта концепция была ранее разработана Дж. Уиллардом Гиббсом (тезкой свободной энергии Гиббса ) в 1873 году. ^[4]

Энергия не создается и не уничтожается, а просто преобразуется из одной формы в другую (см. Первый закон термодинамики ). В отличие от энергии, эксергия всегда разрушается, когда процесс неидеален или необратим (см. Второй закон термодинамики ). Например, когда кто-то заявляет: «Я потратил много энергии, поднимаясь на холм», это утверждение противоречит первому закону. Хотя энергия не расходуется, интуитивно мы воспринимаем, что что-то есть. Ключевой момент заключается в том, что энергия имеет качество или меру полезности, и это качество энергии (или содержание эксергии) — это то, что потребляется или уничтожается. Это происходит потому, что все, все реальные процессы, производят энтропию и разрушение эксергии или скорости «необратимости» пропорционально этому производству энтропии ( теорема Гуи-Стодолы ). Где производство энтропии можно рассчитать как чистое увеличение энтропии системы вместе с ее окружением. Производство энтропии связано с такими вещами, как трение, передача тепла при конечной разнице температур и смешивание. В отличие от «разрушения эксергии», «потери эксергии» - это передача эксергии через границы системы, например, с потерей массы или тепла, где поток или передача эксергии потенциально могут быть восстановлены. Качество энергии или эксергетическое содержание этих потерь массы и энергии низкое во многих ситуациях или приложениях, где эксергетическое содержание определяется как отношение эксергии к энергии в процентном отношении. Например, если эксергетическое содержание электрической работы, производимой тепловой электростанцией, составляет 100 %, то эксергетическое содержание низкопотенциального тепла, отводимого электростанцией, составляет, скажем, 41 градус Цельсия по отношению к температуре окружающей среды 25 градусов Цельсия. , составляет всего 5%.

Определения

Эксергия – это комбинированное свойство системы и ее окружения, поскольку оно зависит от состояния обеих и является следствием неравновесия между ними. Эксергия не является ни термодинамическим свойством материи, ни термодинамическим потенциалом системы. Эксергия и энергия всегда имеют одни и те же единицы измерения, а джоуль (символ: Дж) является единицей энергии в Международной системе единиц (СИ). Внутренняя энергия системы всегда измеряется от фиксированного исходного состояния и, следовательно, всегда является функцией состояния . Некоторые авторы определяют эксергию изменения системы при изменении окружающей среды, и в этом случае это не функция состояния. Другие писатели предпочитают несколько альтернативное определение доступной энергии или эксергии системы, где окружающая среда твердо определена как неизменяемое абсолютное эталонное состояние, и в этом альтернативном определении эксергия становится свойством только состояния системы.

Однако с теоретической точки зрения эксергию можно определить без привязки к какой-либо среде. Если интенсивные свойства разных конечно протяженных элементов системы различаются, всегда существует возможность извлечь из системы механическую работу. Однако при таком подходе приходится отказаться от требования, чтобы окружающая среда была достаточно велика по отношению к «системе», чтобы ее интенсивные свойства, такие как температура, оставались неизменными из-за ее взаимодействия с системой. Поскольку эксергия определена в абсолютном смысле, в данной статье будет считаться, если не указано иное, что интенсивные свойства среды не изменяются при ее взаимодействии с системой.

Для теплового двигателя эксергию можно просто определить в абсолютном смысле как произведение подводимой энергии на КПД Карно , предполагая, что низкотемпературный тепловой резервуар имеет температуру окружающей среды. Поскольку многие системы можно смоделировать как тепловой двигатель, это определение может быть полезно для многих приложений.

Терминология

Термин эксергия также используется по аналогии с его физическим определением в теории информации , связанной с обратимыми вычислениями . Эксергия также является синонимом доступной энергии , эксергической энергии , эссергии (считающейся архаичной), полезной энергии , доступной полезной работы , максимальной (или минимальной) работы , максимального (или минимального) содержания работы , обратимой работы , идеальной работы , доступности или доступной работы .

Подразумеваемое

Эксергетическое разрушение цикла представляет собой сумму эксергетического разрушения процессов, составляющих этот цикл. Эксергетическое разрушение цикла можно определить и без отслеживания отдельных процессов, рассматривая весь цикл как единый процесс и используя одно из уравнений эксергетического разрушения.

Примеры

двух тепловых резервуаров при температурах TH _Для и TC _, < TH _, как считал Карно, эксергия — это работа W которую может совершить обратимый двигатель. В частности, с Q _{H -} выделяемым горячим резервуаром, анализ Карно дает W / Q _H = ( T _H - TC _T )/ теплом , _H . Хотя эксергия или максимальная работа определяется концептуальным использованием идеального процесса, она является свойством системы в данной среде. Эксергический анализ предназначен не только для обратимых циклов, но и для всех циклов (включая нециклические или неидеальные), а также для всех термодинамических процессов.

В качестве примера рассмотрим нециклический процесс расширения идеального газа. При свободном расширении в изолированной системе энергия и температура не изменяются, поэтому за счет сохранения энергии работа не совершается. С другой стороны, при расширении, совершаемом против подвижной стенки, которая всегда соответствует (меняющемуся) давлению расширяющегося газа (поэтому стенка развивает незначительную кинетическую энергию), без теплопередачи (адиабатическая стенка), будет совершена максимальная работа. Это соответствует эксергии. Таким образом, с точки зрения эксергии Карно рассматривал эксергию циклического процесса с двумя тепловыми резервуарами (фиксированными температурами). Точно так же, как проделанная работа зависит от процесса, так и эксергия зависит от процесса, сводясь к результату Карно для случая Карно.

У. Томсон (с 1892 г., лорд Кельвин) еще в 1849 г. испытывал то, что он называл «потерянной энергией», что, по-видимому, то же самое, что и «разрушенная энергия» и то, что было названо «анергией». В 1874 году он писал, что «потерянная энергия» — это то же самое, что энергия, рассеиваемая, например, при трении, электропроводности (диффузия заряда, управляемая электрическим полем), теплопроводности (термодиффузия, управляемая температурой), вязких процессах (диффузия поперечного импульса). и диффузия частиц (чернила в воде). С другой стороны, Кельвин не указал, как вычислить «потерянную энергию». Этого ждали работы Онзагера 1931 и 1932 годов по необратимым процессам.

Математическое описание

Применение второго закона термодинамики.

Смотрите также: Второй закон термодинамики.

Exergy использует границы системы способом, который многим незнаком. Мы представляем себе наличие двигателя Карно между системой и ее эталонной средой, даже если этот двигатель не существует в реальном мире. Его единственная цель — измерить результаты сценария «что, если» для представления наиболее эффективного рабочего взаимодействия между системой и ее окружением.

Если выбирается реальная эталонная среда, которая ведет себя как неограниченный резервуар, который остается неизменным системой, то предположения Карно о последствиях движения системы к равновесию во времени рассматриваются двумя эквивалентными математическими утверждениями. Пусть B , эксергия или доступная работа, уменьшается со временем, а S _total , энтропия системы и ее эталонной среды, заключенных вместе в более крупную изолированную систему , увеличивается со временем:

${\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} t}}\leq 0{\mbox{ is equivalent to }}{\frac {\mathrm {d} S_{\text{total}}}{\mathrm {d} t}}\geq 0$ ( 1 )

Для макроскопических систем (выше термодинамического предела ) эти утверждения являются выражениями второго начала термодинамики, если для эксергии используется следующее выражение:

$B=U+P_{R}V-T_{R}S-\sum _{i}\mu _{i,R}N_{i}$ ( 2 )

где обширные величины для системы: U = внутренняя энергия , V = объем и N _i = моли компонента i . Интенсивные величины для окружающей среды: P _R = Давление , T _R = температура , μ _{i, R} = Химический потенциал компонента i . Действительно, полная энтропия Вселенной равна:

$S_{\mathrm {total} }=-B/T_{R}=S-U/T_{R}-P_{R}V/T_{R}+\sum _{i}\mu _{i,R}N_{i}/T_{R}$ ( 3 )

второй срок $-U/T_{R}-P_{R}V/T_{R}+\sum _{i}\mu _{i,R}N_{i}/T_{R}$ энтропия окружающей среды с точностью до константы.

Отдельные термины также часто имеют имена: $P_{R}V$ называется «доступной фотоэлектрической работой», $T_{R}S$ называется «энтропийной потерей» или «потерей тепла», а последний термин называется «доступной химической энергией».

Другие термодинамические потенциалы могут использоваться для замены внутренней энергии, если необходимо правильно определить, какие природные переменные какому потенциалу соответствуют. Рекомендуемую номенклатуру этих потенциалов см. (Alberty, 2001). ^[2] . Уравнение ( 2 ) полезно для процессов, в которых объем системы, энтропия и количество молей различных компонентов изменяются, поскольку внутренняя энергия также является функцией этих переменных, а не других.

Альтернативное определение внутренней энергии не отделяет доступный химический потенциал U. от Это выражение полезно (при подстановке в уравнение ( 1 )) для процессов, в которых объем и энтропия системы изменяются, но химическая реакция не происходит:

$B=U[\mu _{1},\mu _{2},\ldots ,\mu _{n}]+P_{R}V-T_{R}S=U[{\boldsymbol {\mu }}]+P_{R}V-T_{R}S$ ( 4 )

В этом случае данный набор химических веществ при заданной энтропии и объеме будет иметь одно числовое значение этого термодинамического потенциала. Система с несколькими состояниями может усложнить или упростить проблему, поскольку правило фаз Гиббса предсказывает, что интенсивные величины больше не будут полностью независимыми друг от друга.

Историко-культурный аспект

В 1848 году Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , задал (и сразу ответил) вопрос:

Существует ли какой-либо принцип, на котором можно построить абсолютную термометрическую шкалу? Мне кажется, что теория Карно о движущей силе тепла позволяет дать утвердительный ответ. ^[3]

Оглядываясь назад, содержащееся в уравнении ( 5 ), мы можем понять историческое влияние идеи Кельвина на физику. Кельвин предположил, что лучшая температурная шкала будет описывать постоянную способность единицы температуры в окружающей среде изменять доступную работу двигателя Карно. Из уравнения ( 3 ):

${\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} T_{R}}}=-S$ ( 5 )

Рудольф Клаузиус признал наличие константы пропорциональности в анализе Кельвина и в 1865 году дал ей название «энтропия» от греческого «преобразование», поскольку она количественно определяет количество энергии, теряемой при преобразовании тепла в работу. Доступная работа двигателя Карно максимальна, когда температура окружающей среды равна абсолютному нулю .

Физики тогда, как и сейчас, часто смотрели на свойство со словом «доступный» или «используемый» в названии с некоторым беспокойством. Идея того, что доступно, поднимает вопрос «доступно для чего?» и вызывает обеспокоенность по поводу того, является ли такое свойство антропоцентричным . Законы, полученные с использованием такого свойства, могут не описывать вселенную, а вместо этого описывать то, что люди хотят видеть.

Область статистической механики (начавшаяся с работы Людвига Больцмана по разработке уравнения Больцмана ) освободила многих физиков от этой заботы. Благодаря этой дисциплине мы теперь знаем, что все макроскопические свойства могут быть определены на основе свойств в микроскопическом масштабе, где энтропия более «реальна», чем сама температура ( см. Термодинамическая температура ). Микроскопические кинетические флуктуации между частицами вызывают потерю энтропии, и эта энергия недоступна для работы, поскольку эти флуктуации происходят хаотично во всех направлениях. Антропоцентрический акт, по мнению некоторых современных физиков и инженеров, совершается тогда, когда кто-то проводит гипотетическую границу, фактически говоря: «Это моя система. То, что происходит за ее пределами, — это окружение». В этом контексте эксергию иногда называют антропоцентрическим свойством как теми, кто ее использует, так и теми, кто этого не делает. Однако эксергия основана на неравновесии между системой и ее средой, поэтому вполне реально и необходимо определять систему отдельно от ее среды. Можно согласиться с тем, что энтропия обычно рассматривается как более фундаментальное свойство материи, чем эксергия.

Потенциал для любой термодинамической ситуации

В дополнение к $U$ и $U[{\boldsymbol {\mu }}]$, другие термодинамические потенциалы часто используются для определения эксергии. Для данного набора химических веществ при заданной энтропии и давлении энтальпия H используется в выражении:

$B=H-T_{R}S$ ( 6 )

Для данного набора химических веществ при данной температуре и объеме свободная энергия Гельмгольца A используется в выражении:

$B=A+P_{R}V$ ( 7 )

Для данного набора химических веществ при данной температуре и давлении свободная энергия Гиббса G используется в выражении:

$G=H-TS=B-(T-T_{R})S$ ( 8 )

где $G$ оценивается при изотермической температуре системы ( $T$), и $B$ определяется относительно изотермической температуры окружающей среды системы ( $T_{R}$). Эксергия $B$ это энергия $H$ уменьшается на произведение энтропии на температуру окружающей среды $T_{R}$, который представляет собой наклон или частную производную внутренней энергии по отношению к энтропии в окружающей среде. То есть более высокая энтропия уменьшает эксергию или доступную свободную энергию относительно уровня энергии. $H$.

Из этой энергии можно производить работу, например, в изотермическом процессе, но любое генерирование энтропии во время процесса приведет к разрушению эксергии ( необратимости ) и уменьшению этих термодинамических потенциалов. Кроме того, эксергетические потери могут произойти, если масса и энергия передаются из системы при температуре, давлении или химическом потенциале, отличной от окружающей среды, или при повышенной температуре. Однако потери эксергии потенциально возмещаемы, поскольку эксергия не была разрушена, как это происходит в системах рекуперации отходящего тепла (хотя качество энергии или содержание эксергии обычно низкое). В частном случае изотермический процесс, происходящий при температуре окружающей среды, не будет иметь термических потерь эксергии.

Эксергетический анализ, включающий радиационную теплопередачу

Вся материя непрерывно излучает излучение вследствие своей ненулевой (абсолютной) температуры. Этот излучаемый поток энергии пропорционален температуре материала, возведенной в четвертую степень. В результате любое устройство преобразования излучения, которое стремится поглощать и преобразовывать излучение (при этом отражая часть поступающего излучения источника), по своей сути излучает собственное излучение. Кроме того, поскольку отраженное и испускаемое излучение могут занимать одно и то же направление или телесный угол, потоки энтропии и, как следствие, потоки эксергии, как правило, не являются независимыми. Уравнения баланса энтропии и эксергии для контрольного объема (CV), переформулированные для правильного применения к ситуациям, связанным с переносом излучения, выражаются как,

$${\frac {dS_{CV}}{dt}}=\int _{CVboundary}({\frac {q_{cc}}{T_{b}}}+J_{NetRad})dA+\sum _{i}^{m}({{\dot {m}}_{i}}s_{i})-\sum _{o}^{n}({{\dot {m}}_{o}}s_{o})+{\dot {S}}_{gen}$$где ${S}_{gen}$ или Π обозначает производство энтропии в контрольном объеме, и

$${\frac {{dX}_{CV}}{dt}}=\int _{CVboundary}[{q_{cc}}(1-{\frac {T_{o}}{T_{b}}})+M_{NetRad}]dA-({{\dot {W}}_{CV}}-P_{o}({\frac {dV_{CV}}{dt}}))+\sum _{i}^{r}({{\dot {m}}_{i}}(h_{i}-{T_{o}}{s_{i}}))-{\dot {I}}_{CV}$$

Это уравнение скорости эксергии внутри открытой системы X ( Ξ или B ) учитывает скорость передачи эксергии через границу системы за счет теплопередачи ( q для проводимости и конвекции и M за счет радиационных потоков), за счет механической или электрической передачи работы. ( W ), так и массопереносом ( m ), а также с учетом эксергетического разрушения ( I ), происходящего внутри системы вследствие необратимости или неидеальности процессов. Обратите внимание, что для простоты исключены химическая эксергия, кинетическая энергия и гравитационная потенциальная энергия.

Эксергическая освещенность или поток M, а также эксергетическая яркость N (где M = πN для изотропного излучения) зависят от спектрального и направленного распределения излучения (например, см. следующий раздел «Эксергический поток излучения с произвольным спектром»). '). Солнечный свет можно грубо представить как чернотельное или, точнее, как излучение серого тела. Отметим, что, хотя спектр серого тела похож на спектр черного тела, энтропия и эксергия сильно различаются.Петела определил, что эксергия изотропного излучения черного тела определяется выражением

$$M_{BR}={\frac {cX}{4V}}=\sigma T^{4}(1-{\frac {4}{3}}x+{\frac {1}{3}}x^{4})$$

где эксергия внутри закрытой системы равна X ( Ξ или B ), c — скорость света, V — объем, занимаемый закрытой радиационной системой или пустотой, T — температура излучения материала, To — температура окружающей среды, а x – безразмерное отношение температур К/Т.

Однако на протяжении десятилетий этот результат оспаривался с точки зрения его значимости для преобразования потоков радиации, в частности солнечной радиации. Например, Бежан заявил, что «эффективность Петелы - это не более чем удобный, хотя и искусственный способ обезразмеривания расчетной производительности работы» и что эффективность Петелы «не является «эффективностью преобразования». Однако было показано, что результат Петелы представляет собой эксергию излучения абсолютно черного тела. Это было сделано путем решения ряда проблем, в том числе проблемы внутренней необратимости, определения окружающей среды с точки зрения радиации, эффекта собственного излучения преобразовательного устройства и эффекта концентрирующего излучения источника.

Эксергический поток излучения произвольного спектра (включая солнечный свет)

В общем, земное солнечное излучение имеет произвольный нечернотельный спектр. Спектры на уровне земли могут сильно различаться из-за отражения, рассеяния и поглощения в атмосфере. При этом спектры излучения теплового излучения в инженерных системах также могут сильно различаться.

При определении эксергии излучения с произвольным спектром необходимо учитывать, возможна ли обратимая или идеальная конверсия (нулевое производство энтропии). Показано, что теоретически возможна обратимая конверсия потоков излучения абсолютно черного тела при бесконечно малой разности температур. ]. Однако это обратимое преобразование может быть достигнуто только теоретически, поскольку между излучением черного тела и материей может существовать равновесие. Однако нечернотельное излучение не может существовать даже в равновесии ни с самим собой, ни с собственным излучающим материалом.

В отличие от излучения абсолютно черного тела, излучение нечернотельного тела не может существовать в равновесии с материей, поэтому вполне вероятно, что взаимодействие излучения нечернотельного тела с веществом всегда является по своей сути необратимым процессом. Например, закрытая система излучения, не являющаяся черным телом (например, пустота внутри твердой массы), неустойчива и будет спонтанно уравновешиваться излучением черного тела, если оболочка не является полностью отражающей (т. е. если нет теплового взаимодействия излучения с ее оболочкой). – что невозможно в реальных или реальных неидеальных системах). Следовательно, полость, изначально лишенная теплового излучения внутри нечернотельного материала, будет спонтанно и быстро (из-за высокой скорости излучения) посредством серии взаимодействий поглощения и излучения заполняться излучением черного тела, а не излучением нечерного тела. .

Подходы Петелы и Карлссон оба предполагают, что обратимое преобразование нечернотельного излучения теоретически возможно, то есть без решения или рассмотрения этой проблемы. Эксергия не является свойством только системы, это свойство как системы, так и ее среды. Таким образом, крайне важно, чтобы нечернотельное излучение не могло существовать в равновесии с материей, а это указывает на то, что взаимодействие нечернотельного излучения с веществом является по своей сути необратимым процессом.

Поток (облученность) излучения произвольного спектра, основанный на внутренней необратимости преобразования нечернотельного излучения, определяется выражением

$$M=H-T_{o}({\frac {4}{3}}\sigma ^{0.25}H^{0.75})+{\frac {\sigma }{3}}T_{o}^{4})$$

Эксергический поток $M$ выражается как функция только потока энергии или освещенности $H$ и температура окружающей среды $T_{o}$. Для излучения серого тела поток эксергии определяется выражением

$$M_{GR}=\sigma T^{4}(\epsilon -{\frac {4}{3}}x\epsilon ^{0.75}+{\frac {1}{3}}x^{4})$$

Как и следовало ожидать, поток эксергии нечернотельного излучения сводится к результату для излучения абсолютно черного тела, когда излучательная способность равна единице.

Отметим, что эксергетический поток излучения серого тела может составлять небольшую долю потока энергии. Например, отношение потока эксергии к потоку энергии $(M/H)$ для серого излучения с излучательной способностью $\epsilon =0.50$ равна 40,0%, для $T=500^{o}C$ и $T_{o}=27^{o}C(x=0.388)$. То есть в этом случае может быть преобразовано в работу максимум только 40% потока энергии серого тела (уже только 50% потока энергии черного тела с той же температурой излучения). Излучение серого тела имеет спектр, похожий на спектр черного тела, но поток энтропии и эксергии не может быть точно аппроксимирован как у излучения черного тела с той же температурой излучения. Однако его можно разумно аппроксимировать потоком энтропии излучения абсолютно черного тела с тем же потоком энергии (более низкой температурой излучения).

Излучение черного тела имеет самое высокое отношение энтропии к энергии среди всех излучений с тем же потоком энергии, но самое низкое соотношение энтропии к энергии и самое высокое содержание эксергии среди всех излучений с одинаковой температурой излучения. Например, эксергетическое содержание излучения серого тела ниже, чем у излучения черного тела с той же температурой излучения, и уменьшается по мере уменьшения излучательной способности. Для примера выше с $x=0.388$ эксергетический поток потока источника излучения абсолютно черного тела составляет 52,5% от потока энергии по сравнению с 40,0% для излучения серого тела с $\epsilon =0.50$, или по сравнению с 15,5% для излучения серого тела с $\epsilon =0.10$.

Эксергический поток солнечного света

Помимо производства энергии непосредственно из солнечного света, солнечная радиация обеспечивает большую часть эксергии для процессов на Земле, включая процессы, непосредственно поддерживающие живые системы, а также все источники топлива и энергии, которые используются для транспорта и производства электроэнергии (непосредственно или косвенно). Это в первую очередь за исключением атомных электростанций и геотермальной энергетики (из-за естественного распада деления). Солнечная энергия — это, по большей части, тепловое излучение Солнца с температурой излучения около 5762 Кельвина, но она также включает небольшое количество излучения более высокой энергии в результате реакции термоядерного синтеза или более высоких температур теплового излучения внутри Солнца. Источник большей части энергии на Земле имеет ядерное происхождение.

На рисунке ниже показаны типичные спектры солнечного излучения в условиях ясного неба для AM0 (внеземное солнечное излучение), AM1 (земное солнечное излучение с зенитным углом Солнца 0 градусов) и AM4 (земное солнечное излучение с зенитным углом Солнца 75,5 градусов). Солнечный спектр на уровне моря (земной солнечный спектр) зависит от ряда факторов, включая положение Солнца на небе, мутность атмосферы, уровень местного загрязнения атмосферы, а также количество и тип облачности. Эти спектры относятся к относительно чистому воздуху (α = 1,3, β = 0,04) при условии, что это стандартная атмосфера США с 20 мм осаждаемого водяного пара и 3,4 мм озона. На рисунке показана спектральная энергия излучения (Вт/м2 мкм), которая не дает информации о направленном распределении солнечного излучения. Эксергетическое содержание солнечного излучения, если предположить, что оно подчинено телесному углу шара Солнца (без околосолнечной области), составляет 93,1%, 92,3% и 90,8% соответственно для спектров AM0, AM1 и AM4.

Типичные солнечные спектры ясного неба для AM0, AM1 и AM4.

Эксергетический состав земной солнечной радиации также снижается из-за диффузного компонента, вызванного сложным взаимодействием солнечного излучения, первоначально в виде очень маленького телесного угла луча, с веществом в атмосфере Земли. Как уже упоминалось, характеристики и величина рассеянного земного солнечного излучения зависят от ряда факторов, включая положение Солнца на небе, мутность атмосферы, уровень местного загрязнения атмосферы, а также количество и тип облачного покрова. Солнечное излучение в условиях ясного неба демонстрирует максимальную интенсивность в направлении Солнца (околосолнечное излучение), но также демонстрирует увеличение интенсивности по направлению к горизонту (осветление горизонта). В отличие от непрозрачного пасмурного неба солнечная радиация может быть полностью рассеянной с максимальной интенсивностью в направлении зенита и монотонно уменьшающейся к горизонту. Величина диффузной составляющей обычно меняется в зависимости от частоты, будучи самой высокой в ​​ультрафиолетовой области.

Зависимость содержания эксергии от направленного распределения можно проиллюстрировать, рассмотрев, например, земные спектры АМ1 и АМ4, изображенные на рисунке, со следующими упрощенными случаями направленного распределения:

• Для AM1: 80% солнечной радиации содержится в телесном угле, образуемом Солнцем, 10% содержится и изотропно в телесном угле 0,008 ср (это поле зрения включает околосолнечное излучение), а остальные 10% Солнечное излучение диффузно и изотропно в телесном угле 2π ср.

• Для AM4: 65% солнечной радиации содержится в телесном угле, образуемом Солнцем, 20% солнечной радиации содержится и изотропно в телесном угле 0,008 ср, а остальные 15% солнечной радиации являются рассеянными и изотропен по телесному углу 2π ср. Обратите внимание, что когда Солнце находится низко на небе, диффузная составляющая может быть доминирующей частью падающего солнечного излучения.

Для этих случаев направленного распределения эксергетический состав земной солнечной радиации для спектра АМ1 и АМ4 изображены 80,8% и 74,0% соответственно. Из этих примерных расчетов видно, что эксергетический состав земной солнечной радиации сильно зависит от направленного распределения радиации. Этот результат интересен тем, что можно было бы ожидать, что производительность преобразовательного устройства будет зависеть от скорости поступления фотонов и их спектрального распределения, а не от направленного распределения входящих фотонов. Однако для данного приходящего потока фотонов с определенным спектральным распределением энтропия (уровень беспорядка) тем выше, чем более размытым является направленное распределение. Согласно второму закону термодинамики, поступающая энтропия солнечного излучения не может быть уничтожена и, следовательно, снижает максимальную производительность работы, которую можно получить с помощью преобразовательного устройства.

Химическая эксергия

Подобно термомеханической эксергии, химическая эксергия зависит от температуры и давления системы, а также от ее состава. Ключевое отличие в оценке химической эксергии от термомеханической эксергии заключается в том, что термомеханическая эксергия не учитывает разницу в химическом составе системы и окружающей среды. Если температура, давление или состав системы отличаются от состояния окружающей среды, то вся система будет обладать эксергией.

Определение химической эксергии напоминает стандартное определение термомеханической эксергии, но с некоторыми отличиями. Химическая эксергия определяется как максимальная работа, которую можно получить при вступлении рассматриваемой системы в реакцию с эталонными веществами, присутствующими в окружающей среде. Определение эталонной среды эксергии является одной из наиболее важных частей анализа химической эксергии. В общем, окружающая среда определяется как состав воздуха при температуре 25 °C и давлении 1 атм. При этих свойствах воздух состоит из N ₂ =75,67%, O ₂ =20,35%, H ₂ O(g)=3,12%, CO ₂ =0,03% и других газов=0,83%. Эти молярные доли будут полезны при применении уравнения 8, приведенного ниже.

C _a H _b O _c — это вещество, попадающее в систему, в которой хотят найти максимальную теоретическую работу. Используя следующие уравнения, можно рассчитать химическую эксергию вещества в данной системе. Ниже в уравнении 9 используется функция Гиббса соответствующего элемента или соединения для расчета химической эксергии. Уравнение 10 похоже, но использует стандартную молярную химическую эксергию, которую ученые определили на основе нескольких критериев, включая температуру и давление окружающей среды, при которых анализируется система, а также концентрацию наиболее распространенных компонентов. Эти значения можно найти в книгах по термодинамике или в онлайн-таблицах.

Важные уравнения

${\bar {e}}^{ch}=\left[{\bar {g}}_{\mathrm {F} }+\left(a+{\frac {b}{4}}-{\frac {c}{2}}\right){\bar {g}}_{\mathrm {O_{2}} }-a{\bar {g}}_{\mathrm {CO_{2}} }-\,{\frac {b}{2}}{\bar {g}}_{\mathrm {H_{2}O} (g)}\right]\,\left(T_{0,}p_{0}\right)+{\bar {R}}T_{0}\,ln\left[{\frac {{{(y}_{\mathrm {O_{2}} }^{e})}^{a+{\frac {b}{4}}-\,{\frac {c}{2}}}}{\left(y_{\mathrm {CO_{2}} }^{e}\right)^{a}\left(y_{\mathrm {H_{2}O} }^{e}\right)^{\frac {b}{2}}}}\right]$ ( 9 )

где:

• ${\bar {g}}_{x}$ – функция Гиббса конкретного вещества в системе при $\left(T_{0},p_{0}\right)$. ( ${\bar {g}}_{F}$ относится к веществу, которое попадает в систему)

• ${\bar {R}}$ — универсальная газовая постоянная (8,314462 Дж/моль·К).
• $T_{0}$ это температура, при которой оценивается система в абсолютной температуре
• $y_{x}^{e}$ - молярная доля данного вещества в окружающей среде, т.е. в воздухе

${\bar {e}}^{ch}=\left[{\bar {g}}_{\mathrm {F} }+\left(a+{\frac {b}{4}}-{\frac {c}{2}}\right){\bar {g}}_{\mathrm {O_{2}} }-a{\bar {g}}_{\mathrm {CO_{2}} }-\,{\frac {b}{2}}{\bar {g}}_{\mathrm {H_{2}O} (g)}\right]\,\left(T_{0,}p_{0}\right)+a{\bar {e}}_{\mathrm {CO_{2}} }^{ch}+\,\left({\frac {b}{2}}\right){\bar {e}}_{\mathrm {H_{2}O} (l)}^{ch}-\,\left(a+\,{\frac {b}{4}}\right){\bar {e}}_{\mathrm {O_{2}} }^{ch}$ ( 10 )

где ${\bar {e}}_{x}^{ch}$ — стандартная молярная химическая эксергия, взятая из таблицы для конкретных условий, в которых оценивается система.

Уравнение 10 используется чаще из-за его простоты: нужно найти только стандартную химическую эксергию для данных веществ. Использование стандартной таблицы хорошо работает в большинстве случаев, даже если условия окружающей среды немного различаются, разница, скорее всего, незначительна.

Суммарная эксергия

Найдя химическую эксергию в данной системе, можно найти полную эксергию, прибавив ее к термомеханической эксергии. В зависимости от ситуации количество добавленной химической эксергии может быть очень небольшим. Если оцениваемая система предполагает горение, величина химической эксергии очень велика и необходима для определения полной эксергии системы.

Необратимость

Необратимость объясняет количество эксергии, уничтоженной в закрытой системе, или, другими словами, потраченный впустую рабочий потенциал. Это также называется рассеиваемой энергией. Для высокоэффективных систем значение I невелико, и наоборот. Уравнение для расчета необратимости закрытой системы, связанное с эксергией этой системы, выглядит следующим образом:

$I=T_{0}S_{\text{gen}}$ ( 11 )

где $S_{\text{gen}}$, также обозначаемый Π , представляет собой энтропию, генерируемую процессами внутри системы. Если $I>0$ тогда в системе присутствуют необратимости. Если $I=0$ тогда в системе нет необратимости. Значение I , необратимости, не может быть отрицательным, так как это подразумевает разрушение энтропии, прямое нарушение второго закона термодинамики.

Эксергетический анализ также связывает фактическую работу устройства, производящего работу, с максимальной работой, которую можно получить в обратимом или идеальном процессе:

$W_{\text{act}}=W_{\text{max}}-I$ ( 12 )

То есть необратимость — это идеальная максимальная производительность труда за вычетом фактического производства работы. В то время как для устройства, требующего больших затрат труда, такого как холодильное оборудование или тепловой насос, необратимость — это фактические затраты работы минус идеальные минимальные затраты работы.

Первое слагаемое в правой части связано с разницей эксергии на входе и выходе системы:

$W_{\text{max}}=\Delta B=B_{\text{in}}-B_{\text{out}}$ ( 13 )

где B также обозначается Ξ или X.

Для изолированной системы нет тепловых или рабочих взаимодействий или передачи энергии между системой и ее окружением. Таким образом, эксергия изолированной системы может уменьшиться только на величину, равную необратимости этой системы или процесса.

$\Delta B=-I$ ( 14 )

Приложения

Применение уравнения ( 1 ) к подсистеме дает:

${\mbox{If}}~{\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} t}}{\begin{cases}>0,&{\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} t}}={\mbox{ maximum power generated}}\\<0,&{\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} t}}={\mbox{ minimum power required}}\end{cases}}$ ( 14 )

Это выражение одинаково хорошо применимо к теоретическим идеалам в самых разных приложениях: электролиз (уменьшение G ), гальванические элементы и топливные элементы (увеличение G ), взрывчатые вещества (увеличение A ), отопление и охлаждение (обмен H ), двигатели. (уменьшение U ) и генераторы (увеличение U ).

Использование концепции эксергии часто требует тщательного рассмотрения выбора эталонной среды, поскольку, как знал Карно, в реальном мире не существует неограниченных резервуаров. Систему можно поддерживать при постоянной температуре для имитации неограниченного резервуара в лаборатории или на заводе, но тогда эти системы невозможно изолировать от более крупной окружающей среды. Однако при правильном выборе границ системы можно представить разумный постоянный резервуар. Иногда процесс приходится сравнивать с «самой реалистичной невозможностью», и это неизменно требует определенного количества догадок.

Инженерные приложения

Одной из целей энергетических и эксергетических методов в инженерии является вычисление того, что входит и выходит из нескольких возможных конструкций, прежде чем конструкция будет построена. Входная и выходная энергия всегда будут сбалансированы в соответствии с Первым законом термодинамики или принципом сохранения энергии. Выход эксергии не будет равен входу эксергии для реальных процессов, поскольку часть входа эксергии всегда разрушается в соответствии со вторым законом термодинамики для реальных процессов. После расчета входных и выходных данных инженеру часто требуется выбрать наиболее эффективный процесс. Энергоэффективность . или эффективность по первому закону определят наиболее эффективный процесс, основанный на трате как можно меньше энергии по сравнению с затратами энергии Эксергетическая эффективность или эффективность по второму закону определит наиболее эффективный процесс, основанный на трате и уничтожении как можно меньше доступной работы из заданного ввода доступной работы на единицу желаемого результата.

Exergy применялась в ряде приложений для проектирования с целью оптимизации систем или выявления компонентов или подсистем с наибольшим потенциалом для улучшения. Например, эксергетический анализ систем экологического контроля на международной космической станции показал, что блок генерации кислорода является подсистемой, которая разрушила больше всего эксергии.

Эксергия особенно полезна для широкого инженерного анализа многих систем различной природы, поскольку она может учитывать механические, электрические, ядерные, химические или тепловые системы. По этой причине анализ Exergy также использовался для оптимизации характеристик ракетных транспортных средств. Эксергетический анализ дает дополнительную информацию по сравнению только с энергетическим анализом, поскольку он включает в себя второй закон и учитывает как систему, так и ее взаимосвязь с окружающей средой. Например, эксергетический анализ использовался для сравнения возможных систем производства и хранения электроэнергии на Луне, поскольку эксергетический анализ проводится с учетом уникальных условий эксплуатации окружающей среды для конкретного применения, например, на поверхности Луны.

Применение эксергии для единичных операций на химических заводах частично стало причиной огромного роста химической промышленности в 20 веке.

В качестве простого примера эксергии: воздух при атмосферных условиях температуры, давления и состава содержит энергию, но не имеет эксергии, когда он выбран в качестве термодинамического эталонного состояния, известного как окружающая среда . Отдельные процессы на Земле, такие как горение на электростанции, часто в конечном итоге приводят к образованию продуктов, которые попадают в атмосферу, поэтому определение этого эталонного состояния для эксергии полезно, даже если сама атмосфера не находится в равновесии и полна долгосрочных и краткосрочных изменений. .

Если стандартные условия окружающей среды используются для расчетов во время работы химического завода, когда фактическая погода очень холодная или жаркая, то может показаться, что некоторые части химического завода имеют эксергетический КПД, превышающий 100%. Без учета нестандартного изменения температуры атмосферы эти расчеты могут создать впечатление вечного двигателя. Использование фактических условий даст фактические значения, но стандартные условия окружающей среды полезны для первоначальных проектных расчетов.

Применение в использовании природных ресурсов

В последние десятилетия использование эксергии распространилось за пределы физики и техники в области промышленной экологии , экологической экономики , системной экологии и энергетики . Определение того, где заканчивается одно поле и начинается следующее, является вопросом семантики, но приложения эксергии можно отнести к жестким категориям.После важной работы Яна Шаргута , который подчеркнул связь между эксергией и доступностью, надо вспомнить "Эксергию Экологию и Демократию". Горан Уолл , короткое эссе, которое свидетельствует о строгой связи, связывающей нарушение эксергии с экологическими и социальными нарушениями.Из этой деятельности он вывел фундаментальную исследовательскую деятельность в области экологической экономики и экологического учета, выполняющую анализ эксергетических затрат с целью оценки воздействия человеческой деятельности на текущую и будущую природную среду . Как и в случае с атмосферным воздухом, это часто требует нереальной замены свойств природной среды вместо эталонной государственной среды Карно. Например, экологи и другие специалисты разработали эталонные условия для океана и земной коры . Значения эксергии для человеческой деятельности, использующие эту информацию, могут быть полезны для сравнения политических альтернатив, основанных на эффективности использования природных ресурсов для выполнения работы. Типичные вопросы, на которые можно ответить:

Использует ли человеческое производство одной единицы экономического блага методом А больше эксергии ресурса, чем методом Б ?

Использует ли человеческое производство экономического блага А больше энергии ресурса, чем производство товара Б ?

Использует ли человеческое производство экономического блага А эксергию ресурса более эффективно, чем производство товара Б ?

Достигнут некоторый прогресс в стандартизации и применении этих методов.

Измерение эксергии требует оценки среды эталонного состояния системы. Что касается применения эксергии при использовании природных ресурсов, процесс количественной оценки системы требует присвоения ценности (как используемой, так и потенциальной) ресурсам, которые не всегда легко разделить на типичные показатели затрат и выгод. Однако, чтобы полностью реализовать потенциал системы для выполнения работы, становится все более важным понять эксергетический потенциал природных ресурсов. и как вмешательство человека меняет этот потенциал.

Ссылка на присущие системе качества вместо среды эталонного состояния. Это наиболее прямой способ, с помощью которого экологи определяют эксергию природного ресурса. В частности, проще всего исследовать термодинамические свойства системы и эталонные вещества. которые приемлемы в эталонной среде. Такое определение позволяет допустить качества в естественном состоянии: отклонение от этих уровней может указывать на изменение окружающей среды, вызванное внешними источниками. Существует три типа эталонных веществ, которые являются приемлемыми из-за их распространения на планете: газы в атмосфере , твердые вещества в земной коре и молекулы или ионы в морской воде. Понимая эти базовые модели, можно определить эксергию взаимодействия нескольких земных систем, например, влияние солнечной радиации на жизнь растений. Эти базовые категории используются в качестве основных компонентов эталонной среды при изучении того, как эксергия может быть определена через природные ресурсы.

Другие качества среды эталонного состояния включают температуру, давление и любое количество комбинаций веществ в пределах определенной области. Опять же, эксергия системы определяется потенциалом этой системы совершать работу, поэтому необходимо определить базовые качества системы, прежде чем можно будет понять потенциал этой системы. Термодинамическую ценность ресурса можно найти, умножив эксергию ресурса на стоимость его получения и переработки.

Сегодня становится все более популярным анализировать воздействие использования природных ресурсов на окружающую среду, особенно на потребление энергии. Чтобы понять последствия этих практик, эксергия используется как инструмент для определения потенциального воздействия выбросов , топлива и других источников энергии. Например, сжигание ископаемого топлива рассматривается с точки зрения оценки воздействия на окружающую среду сжигания угля , нефти и природного газа . Существующие методы анализа выбросов этих трех продуктов можно сравнить с процессом определения эксергии затронутых систем; в частности, полезно изучить их с точки зрения эталонного состояния газов в атмосфере . Таким образом, легче определить, как действия человека влияют на природную среду.

Приложения в области устойчивого развития

В системной экологии исследователи иногда рассматривают эксергию текущего формирования природных ресурсов из небольшого количества эксергетических входов (обычно солнечной радиации , приливных сил и геотермального тепла ). Это приложение требует не только предположений об эталонных состояниях, но также требует предположений о реальных средах прошлого, которые могли быть близки к этим эталонным состояниям. Можем ли мы решить, что является наиболее «реалистичной невозможностью» за такой длительный период времени, когда мы только спекулируем о реальности?

Например, сравнение эксергии нефти с эксергией угля с использованием общего эталонного состояния потребует входных данных геотермальной эксергии для описания перехода от биологического материала к ископаемому топливу в течение миллионов лет в земной коре, а также входных данных солнечной радиации для описания истории материала до этого. когда оно было частью биосферы. Это необходимо будет выполнить математически назад во времени, к предполагаемой эпохе, когда можно было бы предположить, что нефть и уголь получают одинаковые эксергетические воздействия из этих источников. Рассуждения о прошлой среде отличаются от определения эталонного состояния в отношении известных сегодня сред. Можно сделать разумные предположения о реальных древних средах, но они не поддаются проверке, и поэтому некоторые считают это применение лженаукой или псевдоинженерией.

В этой области эта накопленная эксергия природного ресурса с течением времени описывается как воплощенная энергия с единицами «воплощенный джоуль» или «эмджоуль».

Важным применением этого исследования является устойчивого развития количественное решение проблем посредством измерения устойчивости :

Истощает ли человеческое производство экономических благ эксергию природных ресурсов Земли быстрее, чем эти ресурсы способны получить эксергию?

Если да, то как это соотносится с истощением, вызванным производством того же товара (или другого) с использованием другого набора природных ресурсов?

Эксергия и экологическая политика

Сегодня экологическая политика не рассматривает эксергию как инструмент более справедливой и эффективной экологической политики. Недавно эксергетический анализ позволил обнаружить важную ошибку в сегодняшних государственных балансах выбросов ПГ , которые часто не учитывают выбросы, связанные с международным транспортом, поэтому не учитываются воздействия импорта/экспорта.

Таким образом, некоторые предварительные случаи воздействия импортно-экспортных перевозок и технологий предоставили доказательства возможности введения эффективного налогообложения, основанного на эксергетике, которое может снизить финансовое воздействие на граждан.Кроме того, Exergy может стать ценным инструментом для эффективной оценки пути к достижению целей ООН в области устойчивого развития ( ЦУР ).

Присвоение одной термодинамически полученной стоимости экономическому товару

Техника, предложенная системными экологами, состоит в том, чтобы объединить три входа эксергии, описанные в последнем разделе, в единый вход эксергии солнечной радиации и выразить общий вклад эксергии в экономическое благо как воплощенный солнечный джоуль или седж . ( См. Чрезвычайная ситуация ) Эксергические воздействия солнечных, приливных и геотермальных сил одновременно возникли в начале Солнечной системы в условиях, которые можно было выбрать в качестве начального эталонного состояния, и теоретически можно было проследить другие спекулятивные эталонные состояния. обратно в то время. С помощью этого инструмента мы сможем ответить:

Какая часть общего истощения человеком энергии Земли вызвана производством определенного экономического блага?

Какая часть общего истощения эксергии Земли человеком и нечеловеческими ресурсами вызвана производством определенного экономического блага?

Для этой идеи не требуются никакие дополнительные термодинамические законы, а принципы энергетики могут сбить с толку многих вопросов для тех, кто не разбирается в этой области. Сочетание непроверяемых гипотез, незнакомого жаргона, противоречащего общепринятому жаргону, интенсивная пропаганда среди его сторонников и некоторая степень изоляции от других дисциплин способствовали тому, что эта протонаука рассматривается многими как лженаука . Однако его основные положения представляют собой лишь дальнейшее использование концепции эксергии.

Последствия для развития сложных физических систем

Распространенная гипотеза в системной экологии состоит в том, что наблюдение инженера-конструктора о том, что для создания процесса с повышенной эксергетической эффективностью необходимы большие капиталовложения, на самом деле является экономическим результатом фундаментального закона природы. С этой точки зрения эксергия является аналогом экономической валюты в мире природы. Аналогией капитальных вложений является накопление эксергии в системе в течение длительных периодов времени, что приводит к воплощению энергии . Аналогия с капиталовложениями, приводящими к созданию завода с высокой эксергетической эффективностью, — это увеличение естественных организационных структур с высокой эксергетической эффективностью. ( См. Максимальная мощность ). Исследователи в этих областях описывают биологическую эволюцию с точки зрения увеличения сложности организма из-за необходимости повышения эффективности эксергии из-за конкуренции за ограниченные источники эксергии.

У некоторых биологов есть подобная гипотеза. Биологическая система (или химическое предприятие) с множеством промежуточных отделений и промежуточных реакций более эффективна, поскольку процесс разделен на множество мелких подэтапов, а это ближе к обратимому идеалу бесконечного числа бесконечно малых подэтапов. Конечно, чрезмерно большое количество промежуточных отсеков требует капитальных затрат, которые могут быть слишком высокими.

Проверка этой идеи на живых организмах или экосистемах невозможна для всех практических целей из-за больших временных масштабов и небольших затрат эксергии, необходимых для того, чтобы произошли изменения. Однако, если эта идея верна, это не будет новым фундаментальным законом природы. Это были бы просто живые системы и экосистемы, максимизирующие свою эксергетическая эффективность за счет использования законов термодинамики, разработанных в 19 веке.

Философские и космологические последствия

Некоторые сторонники использования концепций эксергии описывают их как биоцентрическую или экоцентрическую альтернативу таким понятиям, как качество и ценность . Движение « глубинной экологии » рассматривает экономическое использование этих терминов как антропоцентрическую философию , от которой следует отказаться. Возможная универсальная термодинамическая концепция ценности или полезности привлекает тех, кто интересуется монизмом .

Для некоторых результатом такого подхода к отслеживанию эксергии в глубоком прошлом является повторение космологического аргумента о том, что Вселенная когда-то находилась в равновесии , и вклад эксергии от некой Первопричины создал вселенную, полную доступной работы. Современная наука не в состоянии описать первые 10 ⁻⁴³ секунды Вселенной ( см. Хронологию Большого взрыва ). Внешнее эталонное состояние не может быть определено для такого события, и (независимо от его достоинств) такой аргумент может быть лучше выражен в терминах энтропии .

Качество видов энергии

Отношение эксергии к энергии в веществе можно считать мерой качества энергии . Такие формы энергии, как макроскопическая кинетическая энергия, электрическая энергия и химическая свободная энергия Гиббса, на 100% восстанавливаются в виде работы и, следовательно, имеют эксергию, равную их энергии. Однако такие формы энергии, как излучение и тепловая энергия, не могут быть полностью преобразованы в работу и имеют содержание эксергии меньше, чем их энергетическое содержание. Точная пропорция эксергии в веществе зависит от количества энтропии по отношению к окружающей среде, как это определяется Вторым законом термодинамики .

Эксергия полезна при измерении эффективности процесса преобразования энергии. Эксергетический, или 2-й закон, КПД представляет собой отношение выходной эксергетической энергии к входной эксергетической энергии. Эта формулировка учитывает качество энергии, часто предлагая более точный и полезный анализ, чем оценка эффективности только с использованием Первого закона термодинамики .

Работу можно извлечь и из тел, более холодных, чем окружающая среда. Когда поток энергии поступает в тело, работа совершается за счет этой энергии, полученной из большого резервуара – окружающей среды. Количественная трактовка понятия качества энергии опирается на определение энергии. Согласно стандартному определению, Энергия – это мера способности совершать работу. Работа может включать перемещение массы под действием силы, возникающей в результате преобразования энергии. Если происходит преобразование энергии, второй принцип преобразования потока энергии гласит, что этот процесс должен включать рассеивание некоторой энергии в виде тепла. Измерение количества выделяемого тепла — это один из способов количественного определения энергии или способности совершать работу и применять силу на расстоянии.

Эксергия тепла, доступная при температуре

Максимально возможное преобразование тепла в работу, или эксергетическое содержание тепла, зависит от температуры , при которой доступно тепло, и уровня температуры, при котором отбрасываемое тепло может быть утилизировано, то есть температуры окружающей среды. Верхний предел преобразования известен как эффективность Карно и был открыт Николя Леонаром Сади Карно в 1824 году. См. также «Тепловую машину Карно» .

Эффективность Карно

$\eta =1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}$ ( 15 )

где TH _TC — более высокая температура, а — _более низкая температура, как абсолютная температура . что для максимизации эффективности необходимо максимизировать TH _Из и минимизировать TC _{уравнения 15 ясно ,} .

Обмен эксергией тогда:

$B=Q\left(1-{\frac {T_{o}}{T_{\text{source}}}}\right)$ ( 16 )

где Т _{источника} – температура источника тепла, а Т _о – температура окружающей среды.

Более высокое содержание эксергии, как правило, означает более высокие цены на энергию. Здесь затраты на отопление (вертикальная ось) сравниваются с эксергетическим содержанием различных энергоносителей (горизонтальная ось) в Финляндии. В число энергоносителей входят централизованное теплоснабжение (D), геотермальный тепловой насос (G), тепловой насос с отработанным воздухом (A), биоэнергия, то есть дрова (B), печное топливо (O) и прямое электрическое отопление (E). Красные точки и линия тренда обозначают цены на энергию для потребителей, синие точки и линия тренда обозначают общую цену для потребителей, включая капитальные затраты на систему отопления.

Связь с экономической ценностью

Эксергию в некотором смысле можно понимать как меру ценности энергии. Поскольку энергоносители с высокой энергией могут использоваться для более универсальных целей, благодаря их способности выполнять больше работы, можно предположить, что они имеют большую экономическую ценность. Это можно увидеть в ценах на энергоносители, т.е. энергоносители с высокой энергией, такие как электричество, как правило, более ценны, чем энергоносители с низкой энергией, такие как различные виды топлива или тепло. Это привело к замене более ценных энергоносителей с высокой энергией на энергоносители с низкой энергией, когда это возможно. Примером являются системы отопления, где более высокие инвестиции в системы отопления позволяют использовать источники энергии с низким энергопотреблением. Таким образом, высокоэксергетическое содержание заменяется капитальными вложениями.

Оценка жизненного цикла на основе эксергии (LCA)

Эксергия системы — это максимально возможная полезная работа в ходе процесса, приводящего систему в равновесие с резервуаром тепла. Стена ясно устанавливает связь между эксергетическим анализом и учетом ресурсов. Эта интуиция подтверждена Dewulf Слайд привести к энергоэкономическому учету и методам, специально предназначенным для LCA, таким как эксергетический ввод материала на единицу услуги (EMIPS). Концепция затрат материалов на единицу услуги (MIPS) выражается количественно с точки зрения второго закона термодинамики, что позволяет рассчитывать как затраты ресурсов, так и выпуск услуг в терминах эксергии. Этот эксергетический материальный расход на единицу услуги (EMIPS) был разработан для транспортных технологий. Услуга учитывает не только общую массу, подлежащую перевозке.и общее расстояние, а также массу одной перевозки и время доставки. Применимость методологии EMIPS конкретно относится к транспортной системе и позволяет эффективно сочетать ее с оценкой жизненного цикла . Эксергетический анализ согласно EMIPS позволил определить точную стратегию снижения воздействия транспорта на окружающую среду в сторону более устойчивого транспорта . Такая стратегия требует снижения веса транспортных средств, экологически чистого стиля вождения, снижения трения шин, поощрения электрических и гибридных транспортных средств, улучшение пешеходной и велосипедной среды в городах, а также повышение роли общественного транспорта, особенно электрического железнодорожного транспорта .

История

Карно

В 1824 году Сади Карно изучал усовершенствования паровых машин, разработанные Джеймсом Уоттом и другими. Карно использовал чисто теоретическую точку зрения на эти двигатели и разработал новые идеи. Он написал:

Часто поднимался вопрос, безгранична ли движущая сила тепла, имеют ли возможные усовершенствования паровых машин определенный предел — предел, перейти который природа вещей не позволит никакими средствами... Чтобы чтобы рассмотреть в самом общем виде принцип возникновения движения посредством тепла, его необходимо рассматривать независимо от какого-либо механизма или какого-либо конкретного агента. Необходимо установить принципы, применимые не только к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам... Производство движения в паровых машинах всегда сопровождается обстоятельством, на котором мы должны сосредоточить свое внимание. Это обстоятельство является восстановлением равновесия... Представьте себе два тела А и В, каждое из которых поддерживается при постоянной температуре, причем температура А выше, чем у В. Эти два тела, которым мы можем дать или из которых мы можем отводить тепло, не вызывая изменения их температуры, выполнять функции двух неограниченных резервуаров... ^[4]

Затем Карно описал то, что сейчас называется двигателем Карно , и доказал с помощью мысленного эксперимента , что любой тепловой двигатель, работающий лучше, чем этот двигатель, будет вечным двигателем. Даже в 1820-х годах существовала долгая история науки, запрещавшей подобные устройства. По мнению Карно, «такое творение полностью противоречит ныне принятым идеям, законам механики звука и физики . Это недопустимо». ^[4]

Это описание верхней границы работы, которую может совершить двигатель, было самой ранней современной формулировкой второго закона термодинамики . Поскольку в ней не используется математика, она по-прежнему часто служит отправной точкой для современного понимания как второго закона, так и энтропии . Сосредоточение Карно на тепловых двигателях , равновесии и резервуарах тепла также является лучшей отправной точкой для понимания тесно связанной концепции эксергии.

Карно верил в неправильную калорическую теорию тепла, которая была популярна в его время, но его мысленный эксперимент, тем не менее, описал фундаментальный предел природы. Когда кинетическая теория заменила теорию теплорода в начале и середине 19 века ( см. Хронологию термодинамики ), несколько учёных добавили математическую точность к первому и второму законам термодинамики и разработали концепцию энтропии . Сосредоточение Карно на процессах человеческого масштаба (выше термодинамического предела ) привело к созданию наиболее универсально применимых концепций в физике . Энтропия и второй закон сегодня применяются в самых разных областях — от квантовой механики до физической космологии .

Гиббс

В 1870-х годах Джозайя Уиллард Гиббс объединил большое количество термохимии XIX века в одну компактную теорию. Теория Гиббса включила новую концепцию химического потенциала , вызывающего изменения при удалении от химического равновесия , в более старую работу, начатую Карно по описанию теплового и механического равновесия и их возможностей изменения. Объединяющая теория Гиббса привела к появлению термодинамических потенциальных функций состояния, описывающих отличия от термодинамического равновесия .

В 1873 году Гиббс вывел математику «наличной энергии тела и среды» в ту форму, которую она имеет сегодня. ^[3] (См. уравнения выше ). Физика, описывающая эксергию, с тех пор мало изменилась.

Гельмгольц

В 1880-х годах немецкий учёный Герман фон Гельмгольц вывел уравнение максимальной работы, которую можно обратимо получить из замкнутой системы.

Рэнт

В 1956 году югославский ученый Зоран Рэнт предложил концепцию эксергии, расширив работу Гиббса и Гельмгольца. С тех пор постоянное развитие эксергетического анализа нашло множество применений в термодинамике, и эксергия была принята как максимальная теоретическая полезная работа, которую можно получить от системы по отношению к ее окружающей среде.

См. также

• Термодинамическая свободная энергия
• Производство энтропии
• Энергетика: мировые ресурсы и потребление
• Чрезвычайная ситуация

Ссылки

1. ^ Перро, Пьер (1998). Термодинамика от А до Я. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-856552-9 .
2. ^ «лоуэкснет» .
3. ^ ^а З. Рэнт (1956). «Эксергия, новое слово для обозначения «технически доступной работы»». Исследования в области инженерии . 22 :36-37.
4. ^ ^а Дж. В. Гиббс (1873 г.). «Метод геометрического представления термодинамических свойств веществ с помощью поверхностей: переиздан в Гиббсе, Собрание сочинений под редакцией WR Longley и RG Van Name (Нью-Йорк: Longmans, Green, 1931)». Труды Академии искусств и наук Коннектикута . 2 : 382–404.
5. ^ ^а С. Карно (1824). Размышления о движущей силе огня на машинах, способных развивать эту мощность. (Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу. Переведено и отредактировано Р. Х. Терстоном, 1890 г.) . Париж: Бакалавр. Архивировано из оригинала 4 февраля 2012 г.
6. ^ Альберти, РА (2001). «Использование преобразований Лежандра в химической термодинамике» (PDF) . Чистое приложение. Хим . 73 (8): 1349–1380. дои : 10.1351/pac200173081349 . S2CID   98264934 .
7. ^ Лорд Кельвин (Уильям Томсон) (1848). «По абсолютной термометрической шкале, основанной на теории движущей силы тепла Карно и рассчитанной на основе наблюдений Рено» . Философский журнал .
8. ^ ^а И. Динсер; Ю.А. Ценгель (2001). «Концепции энергии, энтропии и эксергии и их роль в теплотехнике» (PDF) . Энтропия . 3 (3): 116–149. Бибкод : 2001Entrp...3..116D . дои : 10.3390/e3030116 .
9. ^ Сан, Дж. Я., Лаван, З., Ворек, В. М., Жан-Батист Монье, Франта, Дж. Е., Хаггард, К., Гленн, Б. Х., Колар, В. А., Хауэлл, младший (1982). «Эксергетический анализ системы осушительного охлаждения на солнечной энергии». Учеб. Американского отдела стажеров. Общество солнечной энергии : 567–572. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Дальнейшее чтение

• Бастианони, Э.; Факкини, А.; Сусани, Л.; Тиззи (2007). «Эмерджентность как функция эксергии». Энергия . 32 (7): 1158–1162. дои : 10.1016/j.energy.2006.08.009 .
• Стивен Джей Клайн (1999). Краткие сведения об энтропии и интерпретационная термодинамика , Ла-Каньяда, Калифорния: DCW Industries. ISBN   1928729010 .

Внешние ссылки

• Энергия, включая Exergy, международный журнал
• Аннотированная библиография по эксергии/доступности
• Exergy – полезная концепция Йорана Валля
• Учебник по экзергетике для самостоятельного обучения Йорана Валля
• Эксергия Исидоро Мартинеса
• Калькулятор эксергии от портала «Эксэргоэкология»
• Глобальная диаграмма ресурсов эксергии
• Справочник по Приложению 37 МЭА EBCCS, Системы с низким энергопотреблением для отопления и охлаждения зданий
• Введение в концепцию эксергии