Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Энергия сапасы – энергияның бір түрін пайдалы жұмысқа немесе энергияның басқа түріне ауыстырудың қаншалықты оңай екендігінің өлшемі, яғни оның термодинамикалық еркін энергиясының мөлшері. Жоғары сапалы энергия түрі термодинамикалық еркін энергияға ие, сондықтан оның үлкен бөлігі жұмысқа айналуы мүмкін, ал төмен сапалы энергия түрлерінің тек шағын бөлігі ғана жұмысқа айналуы мүмкін, ал қалғаны жылу ретінде таралады. Энергия сапасы тұжырымы экологияда да қолданылады, онда ол тағам тізбегіндегі әртүрлі трофикалық деңгейлер арасындағы энергия ағынын қадағалау үшін пайдаланылады, сондай-ақ термоэкономикада энергия бірлігіне шаққандағы экономикалық өнімді өлшеу үшін қолданылады. Энергия сапасын бағалау әдістері көбінесе энергия сапаларын иерархиялық ретпен бағалауды қамтиды.
Energy quality is a measure of the ease with which a form of energy can be converted to useful work or to another form of energy: i. e. its content of thermodynamic free energy. A high quality form of energy has a high content of thermodynamic free energy, and therefore a high proportion of it can be converted to work; whereas with low quality forms of energy, only a small proportion can be converted to work, and the remainder is dissipated as heat. The concept of energy quality is also used in ecology, where it is used to track the flow of energy between different trophic levels in a food chain and in thermoeconomics, where it is used as a measure of economic output per unit of energy. Methods of evaluating energy quality often involve developing a ranking of energy qualities in hierarchical order.
Мысалдар: Индустрияландыру, Биология
Энергия сапасына назар аудару 18-20 ғасырларда индустрияландырудың басты қозғаушы күші болды. Мысалы, 18 ғасырда Жаңа Англияның индустриялануын қарастырайық. Бұл мата тоқу үшін электр тоқымалары бар тоқыма фабрикаларын салуға байланысты. Ең қарапайым, ең экономикалық және тікелей энергия көзі – су доңғалақтары болды, олар жергілікті өзендегі бөгеттің артындағы диірмен тоғаннан энергия алды. Егер басқа жер иесі де сол өзенде диірмен салуды шешсе, оның бөгеті гидравликалық қысымды төмендетіп, бұрынғы су доңғалағының қуат өндіруін және тиімділігін төмендетер еді. Бұл мәселе бүкіл аймаққа тән болып, жаңа фабрикалар салынып жатқанда ескі фабрикалардың жалпы табысын азайтатын еді. Жоғары сапалы энергияны іздеу 19-20 ғасырлардағы маңызды серпін болды. Мысалы, механикалық энергия алу үшін бу жасау үшін көмірді жағу 18 ғасырда көзге елестемейтін нәрсе еді; 19 ғасырдың соңында су доңғалақтарының қолданылуы көнеріп қалды. Сол сияқты, электр энергиясының сапасы буға қарағанда зор артықшылықтар ұсынады, бірақ ол 20 ғасырда ғана экономикалық және практикалық бола бастады. Жоғарыдағы мысал энергияны пайдаланудың экономикалық әсеріне бағытталған. Табиғатта және биологияда да ұқсас жағдай орын алады, онда тірі организмдер табиғаттан әртүрлі сапалы энергияны алады, бұл Жердегі термодинамикалық тепе-теңсіздіктің басты қозғаушы күші – күн энергиясымен байланысты. Экожүйелердің экологиялық тепе-теңдігі жүйе арқылы энергия ағынына негізделген. Мысалы, жаңбыр суы тау жыныстарын эрозияға ұшыратады, нәтижесінде қоректік заттар ретінде қолданылатын химиялық элементтер босатылады; оларды планктон сіңіріп алып, өсуі үшін күн энергиясын пайдаланады; киттер планктонды жеп энергия алады, осылайша күн энергиясын да пайдаланады, бірақ бұл жолы одан да шоғырланған және жоғары сапалы түрінде. Су доңғалақтары да күннің булану-конденсация су циклі арқылы жаңбыр суымен қозғалады; демек, өнеркәсіптік мата өндірісі күндіз-түнгі күн сәулелену циклымен байланысты болды. Бұл энергия көздерін үлкен жүйе ретінде қарастыру. Осылайша, энергия сапасы туралы пікірталас гуманитарлық ғылымдарда, мысалы, диалектика, марксизм және постмодернизмде де кездеседі. Бұл, әсіресе, экономика сияқты салалар экономикаға термодинамикалық енгізілімдерді мойындамағандықтан (қазір термоэкономика деп танылады), ал физика және инженерия сияқты салалар адам қызметінің экономикалық әсерін немесе биологиялық экожүйелердегі термодинамикалық ағымдардың әсерін қарастыра алмады. Осылайша, кең ауқымды, жаһандық жүйелерді талқылауды осындай күрделі жүйелерге қажетті тұманды, нақты емес ойлауға ең жақсы даярланған мамандар жүзеге асырды. Салалар арасындағы терминология мен көзқарастардың үйлеспеуі айтарлықтай келіспеушіліктерге әкелуі мүмкін.
The consideration of energy quality was a fundamental driver of industrialization from the 18th through 20th centuries. Consider for example the industrialization of New England in the 18th century. This refers to the construction of textile mills containing power looms for weaving cloth. The simplest, most economical and straightforward source of energy was provided by water wheels, extracting energy from a millpond behind a dam on a local creek. If another nearby landowner also decided to build a mill on the same creek, the construction of their dam would lower the overall hydraulic head to power the existing waterwheel, thus hurting power generation and efficiency. This eventually became an issue endemic to the entire region, reducing the overall profitability of older mills as newer ones were built. The search for higher quality energy was a major impetus throughout the 19th and 20th centuries. For example, burning coal to make steam to generate mechanical energy would not have been imaginable in the 18th century; by the end of the 19th century, the use of water wheels was long outmoded. Similarly, the quality of energy from electricity offers immense advantages over steam, but did not become economic or practical until the 20th century. The above example focused on the economic impacts of the exploitation of energy. A similar scenario plays out in nature and biology, where living organisms can extract energy of varying quality from nature, ultimately driven by solar energy as the primary driver of thermodynamic disequilibrium on Earth. The ecological balance of ecosystems is predicated on the energy flows through the system. For example, rainwater drives the erosion of rocks, which liberates chemicals that can be used as nutrients; these are taken up by plankton, using solar energy to grow and thrive; whales obtain energy by eating plankton, thus indirectly using solar energy as well, but this time in a much more concentrated and higher quality form. Water wheels are also driven by rainwater, via the solar evaporation condensation water cycle; thus ultimately, industrial cloth making was driven by the day night cycle of solar irradiation. This is a holistic view of energy sources as a system in the large. Thus, discussions of energy quality can sometimes be found in the Humanities, such as dialectics, Marxism and postmodernism. This is effectively because disciplines such as economics failed to recognize the thermodynamic inputs into the economy (now recognized as thermoeconomics), while disciplines such as physics and engineering were unable to address either the economic impacts of human activity, or the impacts of thermodynamic flows in biological ecosystems. Thus, the broad stroke, global system in the large discussions were taken up by those best trained for the nebulous, non specific reasoning that such complex systems require. The resulting mismatch of vocabulary and outlook across disciplines can lead to considerable contention.
Тарих
Охтаның (1994, 90–91-беттер) энергия сапасының сараптамасы мен ғылыми талдауы алғаш рет 1851 жылы Уильям Томсон "пайдалылық" тұжырымдамасы бойынша ұсынылды. Бұл тұжырымдаманы Германияда З. Рант дамытты, оны "die Exergie" (эксергия) деп атады. Кейіннен ол Жапонияда жалғастырылып, стандартталды. Эксергиялық талдау қазір көптеген өнеркәсіптік және экологиялық энергия талдауларының негізгі бөлігін құрайды. Мысалы, И. Динсер және Y. А. Cengel (2001, 132-бет) әр түрлі сападағы энергия түрлері бу энергетикасы саласында жиі қолданылатынын айтады. Мұнда "сапа көрсеткіші" – эксергияның энергия мазмұнына қатынасы (сол жерде). Дегенмен, энергетикалық инженерлер жылу сапасы ұғымы құндылықты қамтитынын білген. Мысалы, А. Туман: "Жылудың маңызды сапасы оның көлемі емес, оның "бағасы" (1984, 113-бет)" деп жазған – бұл мақсаттылық және кеңірек, немесе экологиялық деңгейдегі мақсаттарды қарастыруға әкеледі. Экологиялық контексте С. Е. Йоргенсен мен Г. Бендориккио эксергияның экологиялық модельдерде мақсатты функция ретінде қолданылатынын және энергияны "сапа өлшемі бар энергия сияқты" (2001, 392-бет) көрсететінін айтады.
According to Ohta (1994, pp. 90–91) the ranking and scientific analysis of energy quality was first proposed in 1851 by William Thomson under the concept of "availability". This concept was continued in Germany by Z. Rant, who developed it under the title, "die Exergie" (the exergy). It was later continued and standardised in Japan. Exergy analysis now forms a common part of many industrial and ecological energy analyses. For example, I. Dincer and Y. A. Cengel (2001, p. 132) state that energy forms of different qualities are now commonly dealt with in steam power engineering industry. Here the "quality index" is the relation of exergy to the energy content (Ibid.). However energy engineers were aware that the notion of heat quality involved the notion of value – for example A. Thumann wrote, "The essential quality of heat is not the amount but rather its 'value'" (1984, p. 113) – which brings into play the question of teleology and wider, or ecological scale goal functions. In an ecological context S. E. Jorgensen and G. Bendoricchio say that exergy is used as a goal function in ecological models, and expresses energy "with a built in measure of quality like energy" (2001, p. 392).
Энергия сапасын бағалау әдістері
Энергия сапасын есептеу үшін қолданылатын әдістемелердің екі негізгі түрі бар. Оларды қабылдаушы немесе донорлық әдістер деп жіктеуге болады. Бұл екі класс арасындағы басты айырмашылық – энергияны трансформациялау процесінде энергия сапасын арттыруға бола ма деген болжам. Қабылдаушы әдістер энергия сапасын энергияның бір түрінен екінші түріне айналудың салыстырмалы жеңілдігінің өлшемі және көрсеткіші ретінде қарастырады. Яғни, трансформация немесе беру процесінен қанша энергия алынады. Мысалы, А. Груплер энергия сапасының екі индикаторын қолданды: сутек/көміртек (H/C) қатынасы және оның кері шамасы – энергияның көміртектік интенсивтігі. Груплер соңғысын салыстырмалы экологиялық сапаның көрсеткіші ретінде пайдаланды. Алайда Охтаның айтуынша, күн энергиясын пайдаланатын сутегі өндіру жүйесі сияқты көп сатылы өнеркәсіптік түрлендіру жүйелерінде энергия сапасы жақсартылмайды (1994, 125-бет). Донорлық әдістер энергия сапасын энергияны трансформациялауда жұмсалатын энергия мөлшері ретінде қарастырады, сондай-ақ өнімді немесе қызметті қолдауға жұмсалатын энергия ретінде қарастырады (H. T. Odum 1975, 3-бет). Яғни, энергияны трансформациялау процесіне қанша энергия беріледі. Бұл әдістер экологиялық физикалық химия және экожүйелерді бағалауда қолданылады. Осы көзқарас бойынша, Охтаның айтқанына қарамастан, экологиялық жүйелердің көп сатылы трофикалық түрлендірулерінде энергия сапасы жақсарады. Мұнда жақсартылған энергия сапасы энергияның төмен сапалы түрлерін кері байланыс арқылы бақылау және реттеу қабілетіне ие. Донорлық әдістер энергиялық процестің пайдалылығын жоғары сапалы энергияның төмен сапалы энергияны қаншалықты бақылайтынын сандық тұрғыда анықтау арқылы түсінуге тырысады.
There appear to be two main kinds of methodology used for the calculation of energy quality. These can be classed as either receiver or donor methods. One of the main differences that distinguishes these classes is the assumption of whether energy quality can be upgraded in an energy transformation process. Receiver methods: view energy quality as a measure and indicator of the relative ease with which energy converts from one form to another. That is, how much energy is received from a transformation or transfer process. For example, A. Grubler used two types of indicators of energetic quality pars pro toto: the hydrogen/carbon (H/C) ratio, and its inverse, the carbon intensity of energy. Grubler used the latter as an indicator of relative environmental quality. However Ohta says that in multistage industrial conversion systems, such as a hydrogen production system using solar energy, the energy quality is not upgraded (1994, p. 125). Donor methods: view energy quality as a measure of the amount of energy used in an energy transformation, and that goes into sustaining a product or service (H. T. Odum 1975, p. 3). That is how much energy is donated to an energy transformation process. These methods are used in ecological physical chemistry, and ecosystem evaluation. From this view, in contrast with that outlined by Ohta, energy quality is upgraded in the multistage trophic conversions of ecological systems. Here, upgraded energy quality has a greater capacity to feedback and control lower grades of energy quality. Donor methods attempt to understand the usefulness of an energetic process by quantifying the extent to which higher quality energy controls lower quality energy.
Тұрақты энергия түрі, бірақ энергия ағыны өзгеруі мүмкін
Т. Охта энергия сапасы тұжырымы энергияның түрі өзгермей, бірақ энергияның ағыны немесе берілу мөлшері өзгерген жағдайларда қарастырылса, көбірек түсінікті болатынын айтты. Мысалы, егер біз энергияның инерциялық түрін ғана қарастырсақ, қозғалатын дененің энергия сапасы оның жылдамдығы артағанда жоғарылайды. Егер біз энергияның тек жылу түрін ғана қарастырсақ, онда температурасы жоғарырақ болғанда сапасы да жоғары болады. Ал егер біз энергияның тек жарық түрін ғана қарастырсақ, онда жиілігі жоғары жарықтың сапасы артық болады (Ohta 1994, 90 б.). Сондықтан энергия сапасындағы осы айырмашылықтарды тиісті ғылыми құралдармен оңай өлшеуге болады.
T. Ohta suggested that the concept of energy quality may be more intuitive if one considers examples where the form of energy remains constant but the amount of energy flowing, or transferred is varied. For instance if we consider only the inertial form of energy, then the energy quality of a moving body is higher when it moves with a greater velocity. If we consider only the heat form of energy, then a higher temperature has higher quality. And if we consider only the light form of energy then light with higher frequency has greater quality (Ohta 1994, p. 90). All these differences in energy quality are therefore easily measured with the appropriate scientific instrument.
Энергияның өзгермелі түрі, бірақ энергия ағыны тұрақты
Энергияның түрі тұрақты болмаған кезде жағдай одан да күрделене түседі. Осы тұста Охта энергия сапасы мәселесін энергияның бір түрін екінші түріне айналдыру, яғни энергияны түрлендіру арқылы қарастырды. Мұнда энергия сапасы энергияның бір түрден екінші түрге өтуінің салыстырмалы жеңілдігімен анықталады. Егер А энергиясын В энергиясына айналдыру салыстырмалы түрде оңай болса, ал В энергиясын А энергиясына айналдыру салыстырмалы түрде қиын болса, онда А энергиясының сапасы В энергиясынан жоғары деп есептеледі. Энергия сапасының бағалануы да осыған ұқсас жолмен анықталады. (Ohta 1994, 90 б.) Номенклатура: Охтаның жоғарыдағы анықтамасына дейін А. В. Калп энергияның бір түрін екінші түріне түрлендірудің әртүрлі жағдайларын сипаттайтын энергия түрлендіру кестесін жасаған. Калптің тәсілінде, қандай энергия түрі туралы сөз болып жатқанын көрсету үшін төменгі индекс (субскрипт) қолданылды. Сондықтан, Охта сияқты "энергия А" деп жазудың орнына, Калп энергияның электрлік түрін көрсету үшін "Je" деп белгіледі, мұнда "J" – "энергия", ал "e" төменгі индексі – энергияның электрлік түрін білдіреді. Калптің белгілеуі Scienceman (1997) кейінірек айтқан барлық энергияны тиісті төменгі индексі бар түр энергиясы ретінде көрсету қағидасын болжады.
The situation becomes more complex when the form of energy does not remain constant. In this context Ohta formulated the question of energy quality in terms of the conversion of energy of one form into another, that is the transformation of energy. Here, energy quality is defined by the relative ease with which the energy transforms, from form to form. If energy A is relatively easier to convert to energy B but energy B is relatively harder to convert to energy A, then the quality of energy A is defined as being higher than that of B. The ranking of energy quality is also defined in a similar way. (Ohta 1994, p. 90). Nomenclature: Prior to Ohta's definition above, A. W. Culp produced an energy conversion table describing the different conversions from one energy to another. Culp's treatment made use of a subscript to indicate which energy form is being talked about. Therefore, instead of writing "energy A", like Ohta above, Culp referred to "Je", to specify electrical form of energy, where "J" refers to "energy", and the "e" subscript refers to electrical form of energy. Culp's notation anticipated Scienceman's (1997) later maxim that all energy should be specified as form energy with the appropriate subscript.
Энергияның мол болуы және иерархиялық дәреже мен/немесе иерархиялық позицияның өлшемі ретінде салыстырмалы түрлендіру оңайлығы
Охта энергия түрлерін түрлендіруді олардың сапасына қарай реттеуге тырысты және энергия түрлендірудің салыстырмалы жеңілдігіне негізделген энергия сапасын бағалау үшін иерархиялық шкала енгізді (Охтадан кейін оң жақтағы кестеге қараңыз, 90 б.). Охта энергияның барлық түрлерін талдамағаны анық. Мысалы, су оның бағалауына кірмеген. Энергия сапасын бағалау энергияны түрлендіру тиімділігімен ғана анықталмайтынын атап өту маңызды. Яғни, энергияны түрлендірудің "салыстырмалы жеңілдігін" бағалау түрлендіру тиімділігіне толыққанды тәуелді емес. Охта жазғандай, "турбиналық генератор мен электрмотордың тиімділігі шамалы айырмашылықты құрайды, сондықтан қайсысының сапасы жоғары екенін айту қиын" (1994, 90 б.). Сондықтан Охта энергия сапасының деңгейін анықтау үшін "табиғаттағы кең таралуын" қосымша критерий ретінде қарастырды. Мысалы, Охта "табиғи ортада кездесетін жалғыз электр энергиясы – найзағай, ал механикалық энергия түрлері көптеген" деді (сол жерде). (Энергия сапасының басқа бір мысалы үшін Wall мақаласындағы 1-кестеге де қараңыз).
Ohta sought to order energy form conversions according to their quality and introduced a hierarchical scale for ranking energy quality based on the relative ease of energy conversion (see table to right after Ohta, p. 90). It is evident that Ohta did not analyse all forms of energy. For example, water is left out of his evaluation. It is important to note that the ranking of energy quality is not determined solely with reference to the efficiency of the energy conversion. This is to say that the evaluation of "relative ease" of an energy conversion is only partly dependent on transformation efficiency. As Ohta wrote, "the turbine generator and the electric motor have nearly the same efficiency, therefore we cannot say which has the higher quality" (1994, p. 90). Ohta therefore also included, 'abundance in nature' as another criterion for the determination energy quality rank. For example, Ohta said that, "the only electrical energy which exists in natural circumstances is lightning, while many mechanical energies exist." (Ibid.). (See also table 1. in Wall's article for another example ranking of energy quality).
Трансформация иерархиялық дәрежедегі энергия өлшемі ретінде
Охта сияқты, Х. Т. Одум да энергия түрлерінің өзгеруін сапасы бойынша ретке келтіруге тырысты, бірақ оның сатылап бағалау шкаласы термодинамикаға экологиялық жүйелердегі тағам тізбегінің ұғымдарын кеңейтуге негізделген, жай ғана түрленудің салыстырмалы жеңілдігіне емес. Х. Т. Одум үшін энергия сапасының бағасы бір түрдегі энергияның қаншасы басқа бір түрдегі энергияның бір бірлігін жасауға қажет екеніне байланысты. Бір энергия түрінің кірісі мен басқа энергия түрінің шығысы арақатынасын Х. Т. Одум және оның әріптестері трансформация деп атады: "энергия бірлігіне ЭМЕРГИЯ, эмджоульге шаққанда джоуль" (Х. Т. Одум 1988, 1135 б.).
Like Ohta, H. T. Odum also sought to order energy form conversions according to their quality, however his hierarchical scale for ranking was based on extending ecological system food chain concepts to thermodynamics rather than simply relative ease of transformation For H. T. Odum energy quality rank is based on the amount of energy of one form required to generate a unit of another energy form. The ratio of one energy form input to a different energy form output was what H. T. Odum and colleagues called transformity: "the EMERGY per unit energy in units of emjoules per joule" (H. T. Odum 1988, p. 1135).