Кіріспе

Пайдалануға арналған ең жоғары энергия

Эксергия, көбінесе «болашақ энергия» немесе «пайдалы жұмыс әлеуеті» деп аталады, термодинамика және инженерия салаларындағы негізгі ұғым. Ол жүйедегі энергия сапасын және пайдалы жұмыс істеу мүмкіндігін түсіну және анықтауда маңызды рөл атқарады. Эксергиялық талдау энергетикалық инженерия, экологиялық ғылым және өндірістік процестер сияқты әртүрлі салаларда кеңінен қолданылады. Ғылыми және инженериялық тұрғыдан алғанда, екінші заңға негізделген эксергиялық талдау құнды, себебі ол энергия талдауына қарағанда бірқатар артықшылықтар ұсынады. Бұл артықшылықтар энергия сапасын (немесе эксергия мазмұнын) анықтауға, негізгі физикалық құбылыстарды түсінуді жақсартуға, сондай-ақ жобалауды, өнімділікті бағалауды және оңтайландыруды жетілдіруге мүмкіндік береді. Термодинамикада жүйенің эксергиясы – жүйенің қоршаған ортамен тепе-теңдікке келтірілген кезде, идеалды процесс арқылы өндірілетін ең жоғары пайдалы жұмыс. «Идеалды процесс» спецификациясы «максималды жұмыс» өндірісін анықтауға мүмкіндік береді. Концептуалды тұрғыдан алғанда, эксергия – жүйенің қоршаған ортамен тепе-теңдікке жеткенде жұмыс істеу немесе өзгерістер тудыру әлеуеті. Эксергия «жетімділік» деп те аталады. Эксергия жүйе мен оның ортасы арасында тепе-теңдік болмағанда нөлден өзгеше, ал тепе-теңдік орнатылғанда нөлге тең (жүйенің және оның ортасының максималды энтропиясы). Эксергияны анықтау термодинамиканың бастапқы мақсаттарының бірі болды. «Эксергия» термині 1956 жылы Зоран Рант (1904–1972) грек тіліндегі «ex» және «ergon» сөздерін пайдаланып, «жұмыстан» деген мағынаны білдірді, бірақ бұл ұғымды алдынан 1873 жылы Дж. Уиллард Гиббс (Гиббс еркін энергиясының иесі) дамытқан. Энергия құрылмайды да, жойылмайды да, тек бір түрінен екінші түріне айналады (термодинамиканың бірінші заңы). Энергиядан айырмашылығы, процесс идеалды емес немесе қайтымсыз болғанда эксергия әрқашан жойылады (термодинамиканың екінші заңына қараңыз). Мысалы, біреу «Мен сол төбеге шығу үшін көп энергия жұмсадым» десе, бұл бірінші заңға қайшы келеді. Энергия сарқалмаса да, біз бір нәрсенің сарқалғанын сезінеміз. Басты мәселе – энергияның сапасы немесе пайдалылығы бар, ал энергия сапасы (немесе эксергия мазмұны) тұтынылатын немесе жойылатын нәрсе. Бұл барлық нақты процестер энтропия тудырады, ал эксергияның жойылуы немесе «қайтымсыздық» деңгейі осы энтропия өндірісіне пропорционалды (Гуй-Стодола теоремасы). Энтропия өндірісі жүйе мен оның қоршаған ортасының энтропиясының жалпы өсуі ретінде есептелуі мүмкін. Энтропия өндірісі үйкеліс, шекті температура айырмасы бойынша жылу беру және араласу сияқты факторларға байланысты. «Эксергияның жойылуынан» айырмашылығы, «эксергияның жоғалуы» – жүйе шекаралары арқылы эксергияның масса немесе жылу жоғалуы сияқты ауысуы, онда эксергия ағыны немесе ауысуы қалпына келтірілуі мүмкін. Бұл массалық және энергиялық жоғалтулардың энергия сапасы немесе эксергия мазмұны көптеген жағдайларда немесе қолдануларда төмен, онда эксергия мазмұны энергияға пайыздық қатынас ретінде анықталады. Мысалы, жылу электр станциясы өндіретін электр жұмысының эксергия мазмұны 100% болса, электр станциясы шығаратын төмен сапалы жылудың эксергия мазмұны, мысалы, 41 градус Цельсий температурада, қоршаған ортаның 25 градус Цельсий температурасына қатысты, 5% ғана.

Анықтамалар

Эксергия – жүйе мен оның ортасының біріктірілген қасиеті, себебі ол екеуінің күйіне байланысты және олардың арасындағы тепе-теңсіздіктің салдары болып табылады. Эксергия – материяның термодинамикалық қасиеті де емес, жүйенің термодинамикалық потенциалы да емес. Эксергия мен энергия әрқашан бірдей өлшем бірліктеріне ие, ал джоуль (символ: J) – Халықаралық жүйедегі (SI) энергияның өлшем бірлігі. Жүйенің ішкі энергиясы әрқашан белгілі бір эталондық күйден өлшенеді, сондықтан ол әрқашан күй функциясы болып табылады. Кейбір авторлар эксергияны қоршаған орта өзгерген кезде өзгеретіндей етіп анықтайды, мұндай жағдайда ол күй функциясы болмайды. Басқа авторлар қоршаған ортаны өзгермейтін абсолютті эталондық күй ретінде қатаң анықтап, жүйенің қолжетімді энергиясы немесе эксергиясын сәл өзгеше анықтауды ұсынады, және осы баламалы анықтамада эксергия жүйенің күйінің қасиетіне айналады. Дегенмен, теориялық тұрғыдан алғанда, эксергияны кез келген ортаға сілтеме жасамай анықтауға болады. Егер жүйенің әртүрлі шекті кеңейтілген элементтерінің қарқынды қасиеттері әртүрлі болса, жүйеден механикалық жұмыс алу мүмкіндігі әрқашан бар. Бірақ, мұндай тәсілде, қоршаған ортаның "жүйеге" қатысты жеткілікті үлкен болуы, яғни температура сияқты қарқынды қасиеттері жүйемен өзара әрекеттесуі нәтижесінде өзгермеуі керек деген талаптан бас тарту қажет. Эксергия абсолютті мағынада анықталуы үшін, егер басқаша көрсетілмесе, осы мақалада қоршаған ортаның қарқынды қасиеттері жүйемен өзара әрекеттесуінен өзгермейді деп есептелінеді. Жылу машинасы үшін эксергияны абсолютті мағынада қарапайым түрде анықтауға болады – энергия кірісін Карно тиімділігіне көбейту арқылы, төмен температурадағы жылу резервуарының температурасы қоршаған орта температурасына тең деп есептесек. Көптеген жүйелерді жылу машинасы ретінде модельдеуге болатындықтан, бұл анықтама көптеген қолданулар үшін пайдалы болуы мүмкін.

Терминология

Эксергия термині физикалық анықтамасымен аналогия бойынша, кері есептеуге қатысты ақпарат теориясында да қолданылады. Эксергия қолжетімді энергия, эксергиялық энергия, эссергия (ескірген термин), пайдаланылатын энергия, қолжетімді пайдалы жұмыс, максималды (немесе минималды) жұмыс, максималды (немесе минималды) жұмыс көлемі, кері жұмыс, идеалдық жұмыс, қолжетімділік немесе қолжетімді жұмыс синонимі болып табылады.

Салдары

Циклдің эксергиялық жойылуы – осы циклды құрайтын процестердің эксергиялық жойылуларының қосындысы болып табылады. Циклдің эксергиялық жойылуын жеке процестерді қарастырмай, бүкіл циклды бір процеске қарап, эксергиялық жойылу теңдеулерінің бірін қолдану арқылы да анықтауға болады.

Мысалдар

Карноның пікірінше, TH және TC < TH температурасындағы екі жылу резервуарлары үшін эксергия – кері қозғалтқыш жасай алатын W жұмысы болып табылады. Нақтырақ айтқанда, QH – ыстық резервуардан берілетін жылу болса, Карноның талдауы W/QH = (TH – TC)/TH теңдігін береді. Эксергия немесе ең жоғары жұмыс идеалды процестерді тұжырымдамалық түрде пайдалану арқылы анықталғанымен, ол белгілі бір ортадағы жүйенің қасиеті болып табылады. Эксергиялық талдау тек кері циклдарға ғана емес, сонымен қатар барлық циклдарға (циклдік емес немесе идеалды емес) және барлық термодинамикалық процестерге қолданылады. Мысал ретінде, идеал газдың циклдік емес кеңею процесін қарастырайық. Оқшауланған жүйеде еркін кеңею кезінде энергия мен температура өзгермейді, сондықтан энергия сақталу заңы бойынша жұмыс жасалмайды. Ал, егер кеңею жылжымалы қабырғаға қарсы жасалса және қабырғаның қысымы кеңейіп жатқан газдың (өзгеріп отыратын) қысымымен сәйкес келетін болса (яғни қабырғаның кинетикалық энергиясы ескерілмейді), ал жылу алмасу болмаса (адиабатикалық қабырға), онда ең көп жұмыс жасалады. Бұл эксергияға сәйкес келеді. Осылайша, эксергия тұрғысынан алғанда, Карно эксергияны екі жылу резервуары бар (белгілі температуралы) циклдік процесс ретінде қарастырды. Жұмыстың орындалуы процеске байланысты болғандай, эксергия да процеске байланысты, Карноның жағдайында Карноның нәтижесіне дейін тобықтайды. У. Томсон (1892 жылдан бастап Лорд Кельвин) 1849 жылдан бастап «жоғалған энергия» деп атаған құбылыспен айналысты, ол «жойылған энергиямен» және «анергиямен» бірдей болып көрінеді. 1874 жылы ол «жоғалған энергия» энергияның, мысалы, үйкеліс, электр өткізгіштігі (электр өрісімен зарядтың диффузиясы), жылу өткізгіштігі (температурамен жылудың диффузиясы), тұтқыр процестер (көлденең импульстің диффузиясы) және бөлшектердің диффузиясы (судағы сия) арқылы таралуымен бірдей екенін жазды. Алайда, Кельвин «жоғалған энергияны» қалай есептеу керектігін көрсетпеді. Бұл Onsager-дің 1931 және 1932 жылдардағы кері процестер туралы еңбектерін күтті.

Жалпы күш

Берілген жүйедегі химиялық эксергияны анықтағаннан кейін, оны термомеханикалық эксергияға қосып, жалпы эксергияны табуға болады. Көрсетілген жағдайға қарай, қосылған химиялық эксергияның мөлшері өте шағын болуы мүмкін. Егер қарастырылып отырған жүйеде жану процесі болса, химиялық эксергияның мөлшері өте зор болады және жүйенің жалпы эксергиясын анықтау үшін қажет.

Күрделі физикалық жүйелердің дамуындағы әсерлері

Жүйелік экологиядағы кең таралған гипотеза, дизайн инженерінің энергия тиімділігін арттыру үшін үлкен капитал инвестициясы қажеттігі туралы байқауы, іс жүзінде табиғаттың негізгі заңының экономикалық салдары екенін көрсетеді. Осы көзқарас бойынша, эксергия – табиғи әлемдегі экономикалық валютаның аналогы. Капитал инвестициясының аналогы – жүйеге ұзақ мерзімде эксергияның жиналуы, нәтижесінде жинақталған энергияның пайда болуы. Жоғары энергия тиімділігімен фабриканы құруға алып келетін капитал инвестициясының ұқсастығы – жоғары энергия тиімділігімен табиғи ұйымдық құрылымдардың дамуы. (Максималды қуат туралы қараңыз). Осы салалардағы зерттеушілер биологиялық эволюцияны организмдердің күрделілігінің артуы тұрғысынан сипаттайды, себебі эксергияның шектеулі көздері үшін бәсекелестік эксергия тиімділігінің жоғарылауын қажет етеді. Кейбір биологтар да осындай гипотезаны ұстанады. Бірнеше аралық бөліктер мен аралық реакциялары бар биологиялық жүйе (немесе химиялық өсімдік) тиімдірек, өйткені процесс көптеген шағын кезеңдерге бөлінеді, бұл шексіз көптеген инфинитезимальды кезеңдердің қайтымды идеалына жақын. Әрине, тым көп аралық бөліктердің болуы капиталдық шығындарды арттыруы мүмкін, бұл тым жоғары болуы мүмкін. Бұл идеяны тірі организмдерде немесе экожүйелерде сынап көру, практикалық тұрғыдан мүмкін емес, өйткені өзгерістерді орын алу үшін үлкен уақыт аралықтары мен кішкентай эксергиялық енгізулер қажет. Дегенмен, егер бұл идея дұрыс болса, онда бұл жаңа табиғат заңы болмайды. Бұл жай ғана тірі жүйелер мен экожүйелердің 19 ғасырда жасалған термодинамика заңдарын пайдалана отырып, эксергия тиімділігін арттыруы болар еді.

Философиялық және космологиялық әсерлері

Эксергиялық тұжырымдамаларды қолдануды жақтаушылардың кейбіреулері оларды сапа және құндылық сияқты ұғымдардың биоцентристік немесе экоцентристік баламасы ретінде сипаттайды. "Терең экология" қозғалысы осы ұғымдардың экономикалық тұрғыдан қолданылуын антропоцентристік философия деп санайды және оны жою керек деп есептейді. Ғылыми тұрғыдан қарағанда, құндылық немесе пайдалылықтың әмбебап термодинамикалық тұжырымдамасы монизмге қызығушылық танытушыларға ұнайды. Кейбір ойшылдар үшін эксергияны алшақ өткенге қарай зерделеудің нәтижесі – ғаламның бір кезде тепе-теңдікте болғаны және белгілі бір Бірінші Күштің эксергияны енгізуі арқасында пайдалы жұмыстарға толы ғалам пайда болды деген космологиялық дәлелдің қайта айтылуы болып табылады. Қазіргі ғылым ғаламның алғашқы 10−43 секундысын сипаттауға қабілетсіз (Биг-Бэнгтің уақыт шкаласына қараңыз). Мұндай құбылыс үшін сыртқы анықтамалық күйді белгілеу мүмкін емес, және (оның пайдалылығына қарамастан) бұл аргумент энтропия тұрғысынан жақсырақ түсіндірілуі мүмкін.

Энергия түрлерінің сапасы

Эксергияның энергияға қатынасын заттың энергия сапасының өлшемі деп қарастыруға болады. Макроскопиялық кинетикалық энергия, электр энергиясы және химиялық Гиббс еркін энергиясы сияқты энергия түрлері 100% жұмыс ретінде қайта алынуы мүмкін, сондықтан олардың эксергиясы олардың энергиясына тең. Дегенмен, сәулелену және жылу энергиясы сияқты энергия түрлерін толығымен жұмысқа түрлендіруге болмайды, және олардың эксергия мазмұны олардың энергия мазмұнынан кем болады. Заттың эксергиясының нақты пропорциясы термодинамиканың екінші заңымен анықталған, қоршаған ортаға қатысты энтропия мөлшеріне байланысты. Эксергия энергияны түрлендіру процесінің тиімділігін өлшеу үшін пайдалы. Эксергетикалық, немесе екінші заңға сәйкес тиімділік – эксергия шығысының эксергия кірісіне бөлінген қатынасы. Бұл формула энергияның сапасын ескереді, көбінесе термодинамиканың бірінші заңы қолданылған тиімділік бағалауларына қарағанда дәлірек және пайдалы талдау ұсынады. Жұмыс қоршаған ортадан суық денелерден де алынуы мүмкін. Энергия ағыны денеге келгенде, жұмыс осы үлкен резервуардан алынған энергиямен орындалады. Энергия сапасы туралы түсінікке сандық тұрғыдан қарау энергияның анықтамасына байланысты. Стандартты анықтама бойынша, энергия – жұмыс істеу қабілетінің өлшемі. Жұмыс энергияның түрленуінен туындаған күш арқылы массаның қозғалысын қамтиды. Егер энергияның түрленуі болса, энергия ағынының түрленуінің екінші принципі бұл процесте энергияның бір бөлігінің жылу түрінде таралуын қажет етеді. Шығарылған жылу мөлшерін өлшеу – энергияны, немесе жұмыс істеу және қашықтықта күш қолдану қабілетін сандық бағалаудың бір жолы.

Қимыл-әрекетке негізделген өмірлік циклді бағалау (LCA)

Жүйенің экстергиясы – жүйені жылу резервуарымен тепе-теңдікке келтіретін процесте мүмкін болатын ең жоғары пайдалы жұмыс. Уолл экстергиялық талдау мен ресурстарды есепке алу арасындағы байланысты нақты көрсетеді. Бұл түйсік Dewulf Sciubba арқылы расталды және экстергоэкономикалық есепке алуға, сондай-ақ өмірлік циклді бағалауға (LCA) арналған, қызмет бірлігіне экстергиялық материалдық кіріс (EMIPS) сияқты әдістерге әкелді. Материалдық кіріс қызмет бірлігіне (MIPS) қатысты ұғым термодинамиканың екінші заңы тұрғысынан сандық түрде бағаланады, бұл ресурстық кіріс пен қызмет шығысын экстергиялық өлшемдермен есептеуге мүмкіндік береді. Көлік технологиясы үшін осы экстергиялық материалдық кіріс (EMIPS) әзірленді. Қызмет тек тасымалданатын жалпы масса мен қашықтықты ғана емес, сонымен қатар бір тасымалдаудың массасы мен жеткізу уақытын да қамтиды. EMIPS әдістемесі көлік жүйесіне қатысты және өмірлік циклді бағалаумен тиімді байланыстыруға мүмкіндік береді. Мұндай стратегия көлік құралдарының салмағын азайтуды, тұрақты жүргізу стилін қалыптастыруды, шиналардың үйкелісін азайтуды, электрлік және гибридтік көліктерді қолдауды, қалаларда жаяу және велосипед жолдарын жақсартуды, сондай-ақ қоғамдық көліктің, әсіресе электрлі теміржолдың рөлін арттыруды талап етеді.

Карно

1824 жылы Сади Карно Джеймс Уотт және басқалар жасаған бу машиналарының жетілдірілуін зерттеді. Карно бұл машиналарына таза теориялық тұрғыдан қарады және жаңа идеялар дамытты. Ол былай деп жазды: "Жылудың қозғау күші шексіз бе, бу машиналарының мүмкін болатын жетістіктерінің шегі бар ма – жаратылыстың өзі ешқандай жолмен бұл шектен өтуге рұқсат етпейтін шек? Жылу арқылы қозғалыс тудыру принципін ең жалпы түрде қарастыру үшін, оны кез келген механизмнен немесе нақты бір фактордан тәуелсіз қарастыру қажет. Бу машиналарында қозғалыс жасау әрқашан біз назар аударуы тиіс бір жағдаймен бірге жүреді. Бұл жағдай – тепе-теңдікті қайта орнату. Екі дене А мен В-ні қарастырайық, олардың әрқайсысы тұрақты температурада ұсталады, А-ның температурасы В-ден жоғары. Бұл екі денеге біз жылу бере аламыз немесе олардан жылу ала аламыз, олардың температурасын өзгертпей, екі шексіз резервуардың қызметін атқарады."

Карно содан кейін қазір Карно машинасы деп аталатын нәрсені сипаттады және ой эксперименті арқылы дәлелдеді, бұл машинадан артық жұмыс істейтін кез келген жылу машинасы мәңгілік қозғалыс машинасы болады. Тіпті 1820 жылдары ғылым мұндай құрылғыларды тыйым салған ұзақ тарихқа ие болды. Карноның сөзіне сүйенсек, "Мұндай жаратылыс қазіргі қабылданған идеяларға, механика және физика заңдарына толық қайшы келеді. Бұл қабылданбайды." Машинаның атқара алатын жұмысының жоғарғы шегін сипаттау термодинамиканың екінші заңының ең алғашқы тұжырымы болды. Математиканы қажет етпегендіктен, ол әлі де екінші заң мен энтропияны түсінудің бастапқы нүктесі болып табылады. Карноның жылу машиналарына, тепе-теңдікке және жылу резервуарларына назар аударуы эксергияның тығыз байланысты тұжырымын түсіну үшін де ең жақсы бастапқы нүкте болып табылады. Карно өзінің заманында танымал болған, жылудың бұрыс калориялық теориясына сенеді, бірақ оның ой эксперименті табиғаттың негізгі шектерін сипаттады. 19-ғасырдың басында және ортасында кинетикалық теория калориялық теорияны ығыстырғанда (термодинамиканың уақыт шкаласын қараңыз), бірнеше ғалым термодинамиканың бірінші және екінші заңдарына математикалық дәлдік қосып, энтропия тұжырымын дамытты. Карноның адамдық масштабтағы процестерге (термодинамикалық шектен жоғары) назар аударуы физикадағы ең әмбебап тұжырымдамаларға әкелді. Энтропия мен екінші заң бүгінде кванттық механикадан физикалық космологияға дейінгі салаларда қолданылады.

Гиббс

1870 жылдары Джозиа Виллард Гиббс 19 ғасырдың термохимиясының көп бөлігін бір жинақы теорияға біріктірді. Гиббстің теориясы химиялық тепе-теңдіктен алшақтағанда өзгерістерге себеп болатын химиялық потенциалдың жаңа ұғымын, Карноның жылулық және механикалық тепе-теңдікті сипаттаудан бастаған бұрынғы жұмысына енгізді, сондай-ақ олардың өзгеру мүмкіндіктерін де қамтыды. Гиббстің біріктіруші теориясы термодинамикалық тепе-теңдіктен ауытқуларды сипаттайтын термодинамикалық потенциал күй функцияларының пайда болуына әкелді. 1873 жылы Гиббс "дене және ортаның пайдалы энергиясы" математикасын қазіргі түріне келтірді. (Жоғарыдағы теңдеулерді қараңыз). Эксергияны сипаттайтын физика сол кезден бері көбінесе өзгерген жоқ.

Гельмгольц

1880 жылдары неміс ғалымы Герман фон Гельмгольц жабық жүйеден қайтымды түрде алынатын ең жоғары жұмыс мөлшері үшін теңдеу шығарды.

Қалқыма

1956 жылы югославиялық ғалым Зоран Рант Гиббс және Гельмгольцтің еңбектерін дамытып, эксергия тұжырымдамасын ұсынды. Одан бері эксергиялық талдау үздіксіз дамып, термодинамика саласында көптеген қолданыс тапты, ал эксергия – жүйенің қоршаған ортаға қатысты ең жоғары теориялық пайдалы жұмысы ретінде қабылданады.