Эксергия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Эксергия (эксэргия; от греч. ek, ех — приставка, означающая высокую степень, и греч. ergon — работа) — часть энергии, равная максимальной полезной работе, которую может совершить термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергией иногда называется работоспособность системы. Использование понятия эксергии даёт возможность количественно определить влияние неравновесия термодинамических процессов на эффективность преобразования энергии, то есть позволяет вычислять особенности второго начала термодинамики: выделить ту часть энергии, которая не может быть использована из-за газодинамических явлений, трения, теплообмена. Такой подход даёт возможность анализировать степень термодинамического совершенства того или другого элемента установки и не требует предварительной оценки работоспособности всей установки в целом.

Эксергия численно равна разности энтальпии h и произведения термодинамической температуры окружающей среды T_0 и энтропии s:

ex=h-T_0s

Максимальная работа, которая может быть получена из заданного количества теплоты, определяется формулой Карно:

ex_q = \int (1-T_0/T)dq

Работа, получаемая при расширении газа, определяется известным газодинамическим соотношением:

ex_P =\int PdV

Химическая эксергия вещества определяется как работа, которая теряется при рассеивании его концентрации до содержания, характерного для окружающей среды:

ex_C = RT_0lnC/C_0

Соответственно, эксергию сложного процесса можно рассчитать, представив его как последовательную совокупность процессов теплообмена, сжатия/расширения и рассеивания.

Важным отличием эксергии от энергии является тот факт, что эксергия системы не равна нулю, если есть любая разность параметров ее состояния по сравнению с окружающей средой. Например, тело, охлажденное по сравнению с окружающей средой, имеет большую эксергию, чем тело при температуре T_0 , в то время как для внутренней энергии наблюдается обратное. Аналогичным образом, газ под давлением ниже атмосферного будет иметь ненулевую эксергию, так же как и газ под давлением выше атмосферного. Окружающая среда может иметь средние параметры, отличие от нормальных условий - например, для условий под водой или в космосе. При изменении параметров окружающей среды эксергия системы будет также меняться.

Понятие эксергии позволяет четко увидеть неэквивалентность разных видов энергии. Так, несмотря на большое количество теплоты в окружающей среде, его техническая пригодность равна нулю, и для его использования необходимо затратить дополнительную энергию (например, с помощью теплового насоса). В связи с этим, например, недостаточно обоснованными являются методы оценки КПД комбинированного производства теплоты и других видов энергии (электрической, механической, химической), основанные на простом сложении энергии разнородных потоков (например, энергия теплового потока и электроэнергии на ТЭЦ).

Эксергетический анализ технических систем позволяет в ряде случае делать более адекватные суждения о степени совершенства применяемых технологий по сравнению с анализом, основанном на энергетическом КПД. Например, КПД энергетических котлов (т.е. доля отданной для нагрева воды энергии от теплоты сгорания топлива), рассчитанный по балансу энергии, довольно высок и составляет величину более 90%. Учет потерь эксергии при необратимом теплообмене показывает, что на самом деле эта величина составляет немногим более 50%.

Возникновение и обоснование понятия эксергии[править | править вики-текст]

После установления первого закона термодинамики была установлена количественная эквивалентность теплоты и работы в записи уравнения энергетического баланса физических систем. Однако второй закон термодинамики, в свою очередь, устанавливает качественное различие между ними. Несмотря на то, что оба закона были открыты еще в 19-ом веке (а техническая неэквивалентность теплоты и работы была показана Сади Карно еще до окончательного установления обоих), в инженерном анализе реальных технических систем применялся только первый.

Тем не менее, работы по совершенствованию теплотехнических установок в начале 20-го века привели к появлению ряда разрозненных понятий, таких как "работоспособность" или "пригодность к совершению работы". В 1955 году югославский ученый З. Рант предложил термин "эксергия", который был быстро принят в европейской литературе.

Я. Шаргутом в 1956 году была разработана теория нулевых состояний, т.е. состояний равновесия системы с окружающей средой. Эта теория позволила выявить связи между эксергетическим и традиционным анализом физических систем.С помощью теории нулевых состояний также стало возможным дать общий алгоритм расчета эксергии произвольных систем.

Литература[править | править вики-текст]

  • Самсонов А. И. Эксергетический анализ работы тепловых машин. Противоречия и неточности в учебниках по технической термодинамике. Кораблестроение океанотехника вопросы экономики. Выпуск 25. — Владивосток, 2002. — С. 21—22.
  • Эксергетический метод и его приложения. Под ред. Бродянского В. М. — М.: Мир, 1967. — 248 с.
  • Энергия и эксергия. Под ред. Бродянского В. М. — М.: Мир, 1968. — 192 с.
  • Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. - М.: Энергия, 1968. - 280 с.
  • Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. - М.: Высшая школа, 1967. - 267 с.
  • Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.