Введение

Максимальная энергия, доступная для использования

Эксергия, часто называемая «доступной энергией» или «потенциалом полезной работы», является фундаментальной концепцией в термодинамике и инженерии. Она играет решающую роль в понимании и количественной оценке качества энергии в системе и ее потенциала для совершения полезной работы. Анализ эксергии имеет широкое применение в различных областях, включая энергетическую инженерию, экологические науки и промышленные процессы. С научной и инженерной точек зрения, эксергетический анализ, основанный на втором законе термодинамики, ценен, поскольку он предоставляет ряд преимуществ по сравнению с одним лишь энергетическим анализом. Эти преимущества включают в себя основу для определения качества энергии (или эксергетического содержания), углубление понимания фундаментальных физических явлений, а также улучшение проектирования, оценки производительности и оптимизации. В термодинамике эксергия системы – это максимальная полезная работа, которую можно получить, приведя систему в равновесие с окружающей средой посредством идеального процесса. Определение «идеального процесса» позволяет определить «максимальную работу». С концептуальной точки зрения, эксергия – это «идеальный» потенциал системы для совершения работы или вызывания изменений при достижении равновесия с окружающей средой. Эксергию также называют «доступностью». Эксергия отлична от нуля при наличии неравновесия между системой и окружающей средой и равна нулю при установлении равновесия (состояние максимальной энтропии для системы и окружающей среды). Определение эксергии было одной из первоначальных целей термодинамики. Термин «эксергия» был введен в 1956 году Зораном Рантом (1904–1972) с использованием греческих слов ex и ergon, означающих «из работы», однако концепция была разработана ранее Дж. Уиллардом Гиббсом (в честь которого названа свободная энергия Гиббса) в 1873 году. Энергия не создается и не уничтожается, а лишь преобразуется из одной формы в другую (см. Первый закон термодинамики). В отличие от энергии, эксергия всегда уничтожается при неидеальном или необратимом процессе (см. Второй закон термодинамики). Например, когда кто-то говорит: «Я потратил много энергии, поднимаясь на холм», это утверждение противоречит первому закону. Хотя энергия не расходуется, мы интуитивно ощущаем, что что-то теряется. Ключевой момент заключается в том, что энергия имеет качество или меру полезности, и именно это качество энергии (или эксергетическое содержание) расходуется или уничтожается. Это происходит потому, что все реальные процессы производят энтропию, а уничтожение эксергии или скорость «необратимости» пропорционально этому производству энтропии (теорема Гуи-Стодолы). Производство энтропии можно рассчитать как чистое увеличение энтропии системы вместе с окружающей средой. Производство энтропии обусловлено такими факторами, как трение, теплопередача при конечной разнице температур и смешивание. В отличие от «уничтожения эксергии», «потеря эксергии» – это перенос эксергии через границы системы, например, при потере массы или тепла, где поток или перенос эксергии потенциально может быть восстановлен. Энергетическое качество или эксергетическое содержание этих потерь массы и энергии во многих ситуациях или приложениях невелико, при этом эксергетическое содержание определяется как отношение эксергии к энергии в процентном выражении. Например, эксергетическое содержание электрической работы, производимой тепловой электростанцией, составляет 100%, а эксергетическое содержание низкопотенциального тепла, отводимого электростанцией, например, при 41 °C, относительно температуры окружающей среды 25 °C, составляет всего 5%.

Определения

Эксергия – это комбинированное свойство системы и её окружения, поскольку она зависит от состояния обоих и является следствием неравновесия между ними. Эксергия не является ни термодинамическим свойством вещества, ни термодинамическим потенциалом системы. Эксергия и энергия всегда имеют одинаковые единицы измерения, и джоуль (символ: J) является единицей энергии в Международной системе единиц (СИ). Внутренняя энергия системы всегда измеряется относительно фиксированного эталонного состояния и, следовательно, всегда является функцией состояния. Некоторые авторы определяют эксергию системы как изменяющуюся при изменении окружения, в этом случае она не является функцией состояния. Другие авторы предпочитают несколько иное определение доступной энергии или эксергии системы, где окружение чётко определено как неизменное абсолютное эталонное состояние, и в этом альтернативном определении эксергия становится свойством состояния системы само по себе. Однако, с теоретической точки зрения, эксергию можно определить без привязки к какому-либо окружению. Если интенсивные свойства различных конечных элементов системы различаются, всегда существует возможность извлечь механическую работу из системы. Однако, при таком подходе необходимо отказаться от требования, чтобы окружение было достаточно велико по отношению к "системе", чтобы его интенсивные свойства, такие как температура, не изменялись в результате взаимодействия с системой. Чтобы эксергия была определена в абсолютном смысле, в данной статье предполагается, что, если не указано иное, интенсивные свойства окружения не изменяются при взаимодействии с системой. Для теплового двигателя эксергию можно просто определить в абсолютном смысле как произведение входной энергии на эффективность Карно, предполагая, что низкотемпературный тепловой резервуар находится при температуре окружения. Поскольку многие системы можно смоделировать как тепловой двигатель, это определение может быть полезно для широкого спектра приложений.

Терминология

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

Последствия

Эксергийные потери цикла равны сумме эксергийных потерь процессов, из которых состоит этот цикл. Эксергийные потери цикла также можно определить, не анализируя отдельные процессы, а рассматривая весь цикл как единый процесс и применяя одно из уравнений для расчета эксергийных потерь.

Примеры

Для двух тепловых резервуаров при температурах TH и TC < TH, как рассматривал Карно, эксэргия – это работа W, которую может совершить обратимый двигатель. В частности, при QH – тепло, подводимое к горячему резервуару, анализ Карно дает W/QH = (TH – TC)/TH. Хотя эксэргия, или максимальная работа, определяется концептуально с использованием идеального процесса, она является свойством системы в заданной среде. Эксэргетический анализ применим не только к обратимым циклам, но и ко всем циклам (включая нециклические или неидеальные), и, более того, ко всем термодинамическим процессам. В качестве примера рассмотрим нециклический процесс расширения идеального газа. При свободном расширении в изолированной системе энергия и температура не изменяются, следовательно, согласно закону сохранения энергии, работа не совершается. С другой стороны, при расширении, совершаемом против подвижной стенки, которая всегда соответствовала (изменяющемуся) давлению расширяющегося газа (так что стенка не приобретает значительной кинетической энергии), без теплообмена (адиабатическая стенка), была бы совершена максимальная работа. Это соответствует эксэргии. Таким образом, с точки зрения эксэргии, Карно рассматривал эксэргию для циклического процесса с двумя тепловыми резервуарами (с фиксированными температурами). Подобно тому, как совершаемая работа зависит от процесса, так и эксэргия зависит от процесса, сводясь к результату Карно в случае Карно. У. Томсон (с 1892 года, лорд Кельвин) уже в 1849 году был обеспокоен тем, что он назвал «потерянной энергией», которая, по-видимому, эквивалентна «уничтоженной энергии» и тому, что было названо «анергией». В 1874 году он писал, что «потерянная энергия» – это та же энергия, которая рассеивается, например, трением, электрической проводимостью (диффузия заряда под действием электрического поля), теплопроводностью (термодиффузия под действием температуры), вязкими процессами (диффузия поперечного импульса) и диффузией частиц (чернила в воде). Однако Кельвин не указал, как вычислить «потерянную энергию». Это ожидало работ Онсагера 1931 и 1932 годов по необратимым процессам.

Общая экзергия

После определения химической эксергии в данной системе можно найти полную эксергию, добавив к термомеханической эксергии значение химической эксергии. В зависимости от ситуации, величина добавляемой химической эксергии может быть очень мала. Если рассматриваемая система включает в себя процессы горения, величина химической эксергии будет значительной и необходимой для определения полной эксергии системы.

Последствия в развитии сложных физических систем

Общая гипотеза в системной экологии состоит в том, что наблюдение инженера-конструктора о необходимости больших капитальных вложений для создания процесса с повышенной эффективностью эксергии, на самом деле является экономическим следствием фундаментального закона природы. С этой точки зрения, эксергия является аналогом экономической валюты в естественном мире. Аналогией капиталовложению является накопление эксергии в системе в течение длительных периодов времени, приводящее к образованию заключенной энергии. Аналогия капитальных вложений, приводящих к созданию завода с высокой эффективностью эксергии, – это увеличение естественных организационных структур с высокой эффективностью эксергии. (См. Максимальная мощность). Исследователи в этих областях описывают биологическую эволюцию как увеличение сложности организмов, обусловленное необходимостью повышения эффективности эксергии из-за конкуренции за ограниченные источники эксергии. Некоторые биологи придерживаются схожей гипотезы. Биологическая система (или химический завод) с рядом промежуточных отсеков и промежуточных реакций более эффективна, поскольку процесс разделен на множество небольших подстадий, что приближает его к обратному идеалу бесконечного числа бесконечно малых подстадий. Разумеется, чрезмерное количество промежуточных отсеков влечет за собой слишком высокие капитальные затраты. Проверка этой идеи на живых организмах или в экосистемах практически невозможна из-за больших временных масштабов и малых притоков эксергии, необходимых для осуществления изменений. Однако, если эта идея верна, это не будет новым фундаментальным законом природы. Это просто живые системы и экосистемы, максимизирующие свою эффективность эксергии, используя законы термодинамики, разработанные в XIX веке.

Философские и космологические последствия

Некоторые сторонники использования концепций эксэргии описывают их как биоцентричную или экоцентричную альтернативу таким терминам, как качество и ценность. Движение "глубокой экологии" считает экономическое использование этих терминов антропоцентрической философией, которую следует отвергнуть. Возможная универсальная термодинамическая концепция ценности или полезности привлекает тех, кто интересуется монистическими идеями. Для некоторых, результат этих размышлений о прослеживании эксэргии в далеком прошлом является переформулировкой космологического аргумента о том, что Вселенная когда-то находилась в состоянии равновесия, а приток эксэргии от некой Первопричины создал Вселенную, полную полезной работы. Современная наука не может описать первые 10−43 секунды существования Вселенной (см. Хронологию Большого взрыва). Для подобного события невозможно определить внешнее состояние отсчета, и (независимо от его обоснованности) этот аргумент, возможно, лучше сформулировать в терминах энтропии.

Качество видов энергии

Отношение эксергии к энергии в веществе можно рассматривать как меру качества энергии. Такие формы энергии, как макроскопическая кинетическая энергия, электрическая энергия и химическая свободная энергия Гиббса, полностью восстанавливаются в виде работы, и поэтому их эксергия равна их энергии. Однако такие формы энергии, как излучение и тепловая энергия, не могут быть полностью преобразованы в работу и имеют эксергетическое содержание меньше, чем их энергетическое содержание. Точная доля эксергии в веществе зависит от количества энтропии относительно окружающей среды, что определяется вторым законом термодинамики. Эксергия полезна при измерении эффективности процесса преобразования энергии. Эксергетическая эффективность, или эффективность второго закона, представляет собой отношение выхода эксергии к входу эксергии. Эта формулировка учитывает качество энергии, часто предлагая более точный и полезный анализ, чем оценки эффективности, основанные только на первом законе термодинамики. Работу можно извлекать также из тел, температура которых ниже температуры окружающей среды. Когда поток энергии поступает в тело, работа совершается этой энергией, полученной из большого резервуара – окружающей среды. Количественная оценка понятия качества энергии основывается на определении энергии. Согласно стандартному определению, энергия – это мера способности совершать работу. Работа может включать в себя перемещение массы силой, возникающей в результате преобразования энергии. Если происходит преобразование энергии, второй принцип преобразования потоков энергии гласит, что этот процесс должен сопровождаться рассеянием части энергии в виде тепла. Измерение количества выделяемого тепла – один из способов количественного определения энергии, или способности совершать работу и прикладывать силу на расстоянии.

Оценка жизненного цикла на основе воздействия (LCA)

Эксергия системы – это максимальная полезная работа, которую можно получить в процессе приведения системы в состояние равновесия с тепловым резервуаром. Уолл четко определяет взаимосвязь между эксергетическим анализом и учетом ресурсов. Эта интуиция, подтвержденная Девульфом и Сьюбба, привела к развитию эксергоэкономического учета и методов, специально предназначенных для оценки жизненного цикла (LCA), таких как экзергетический ввод материала на единицу предоставляемой услуги (EMIPS). Концепция ввода материала на единицу услуги (MIPS) количественно оценивается на основе второго закона термодинамики, что позволяет рассчитывать как ввод ресурсов, так и выход услуги в эксергетических единицах. Этот экзергетический ввод материала на единицу предоставляемой услуги (EMIPS) был разработан для транспортных технологий. При определении услуги учитываются не только общая масса, подлежащая транспортировке, и общее расстояние, но также масса на единицу транспортировки и время доставки. Область применения методологии EMIPS специфична для транспортных систем и обеспечивает эффективную интеграцию с оценкой жизненного цикла. Такая стратегия предполагает снижение веса транспортных средств, использование экологичных стилей вождения, уменьшение сопротивления качению шин, стимулирование использования электрических и гибридных транспортных средств, улучшение инфраструктуры для пешеходов и велосипедистов в городах, а также повышение роли общественного транспорта, особенно электрифицированной железнодорожной сети.

Карно

В 1824 году Сади Карно изучил усовершенствования, разработанные для паровых двигателей Джеймсом Уаттом и другими. Карно использовал чисто теоретический подход к этим двигателям и разработал новые идеи. Он писал: «Часто возникает вопрос, является ли тепловая движущая сила безграничной, имеют ли возможные улучшения паровых двигателей установленный предел — предел, который природа вещей не позволит преодолеть никакими средствами». Чтобы рассмотреть принцип производства движения теплом в наиболее общем виде, его следует рассматривать независимо от какого-либо механизма или конкретного рабочего тела. Необходимо установить принципы, применимые не только к паровым двигателям, но и ко всем мыслимым тепловым машинам. Производство движения в паровых двигателях всегда сопровождается обстоятельством, на которое следует обратить внимание. Это обстоятельство – восстановление равновесия. Представьте два тела А и В, каждое из которых поддерживается при постоянной температуре, причем температура А выше, чем температура В. Эти два тела, которым мы можем передавать или отнимать тепло, не изменяя их температуры, выполняют функции двух неограниченных тепловых резервуаров.

Карно далее описал то, что сейчас называется циклом Карно, и доказал с помощью мысленного эксперимента, что любая тепловая машина, работающая эффективнее, чем эта, была бы машиной вечного движения. Уже в 1820-х годах наука накопила большой опыт запрета подобных устройств. По словам Карно, «такое создание полностью противоречит современным представлениям, законам механики и здравой физики. Это недопустимо». Это описание верхней границы работы, которую может совершить двигатель, стало ранней современной формулировкой второго закона термодинамики. Поскольку оно не содержит математики, оно до сих пор часто служит отправной точкой для современного понимания как второго закона, так и энтропии. Акцент Карно на тепловых машинах, равновесии и тепловых резервуарах также является наилучшей отправной точкой для понимания тесно связанной концепции экзергии. Карно верил в ошибочную калорийную теорию тепла, популярную в его время, но его мысленный эксперимент тем не менее описал фундаментальное ограничение природы. По мере того как кинетическая теория вытесняла калорийную теорию в течение первой половины XIX века (см. Хронологию термодинамики), несколько ученых добавили математическую точность к первому и второму законам термодинамики и разработали понятие энтропии. Акцент Карно на процессах в масштабе, доступном человеку (выше термодинамического предела), привел к наиболее универсально применимым концепциям в физике. Энтропия и второй закон применяются сегодня в областях, охватывающих квантовую механику и физическую космологию.

Гиббс

В 1870-х годах Джозиа Виллард Гиббс объединил значительный объем термохимии XIX века в единую стройную теорию. Теория Гиббса включила в себя новую концепцию химического потенциала, являющегося причиной изменений при отклонении от химического равновесия, и опиралась на более ранние работы Карно, посвященные описанию теплового и механического равновесия и их потенциалов изменений. Объединяющая теория Гиббса привела к появлению термодинамических потенциалов – функций состояния, описывающих отклонения от термодинамического равновесия. В 1873 году Гиббс вывел математическое выражение для "полезной энергии тела и среды" в той форме, в которой оно существует и сегодня. (См. уравнения выше). Физика, описывающая эксергию, с тех пор практически не изменилась.

Гельмгольц

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

- Да, конечно.

В 1956 году югославский ученый Зоран Рант предложил концепцию эксергии, развивая работы Гиббса и Гельмгольца. С тех пор непрерывное развитие анализа эксергии привело к многочисленным применениям в термодинамике, и эксергия была признана максимально возможной теоретической полезной работой, которую можно получить от системы по отношению к окружающей среде.