Введение

Измерение производительности тепловых двигателей

В тепловой технике эффективность эксергии (также известная как эффективность второго закона или рациональная эффективность) определяет эффективность системы по сравнению с ее работой в обратимых условиях. Она определяется как отношение тепловой эффективности реальной системы к тепловой эффективности идеализированной или обратимой версии этой системы для тепловых двигателей. Также ее можно описать как отношение полезной работы, произведенной системой, к обратимой работе для систем, потребляющих работу. Для холодильников и тепловых насосов это отношение фактического коэффициента преобразования (COP) к обратному COP.

Мотивация

Причина, по которой необходима эффективность второго закона, заключается в том, что показатели эффективности первого закона не учитывают идеализированную версию системы, используемую для сравнения. Использование только показателей эффективности первого закона может ввести в заблуждение относительно реальной эффективности системы. Поэтому показатели эффективности второго закона необходимы для получения более реалистичной оценки действенности системы. Второй закон термодинамики показывает, что ни одна система не может достичь 100% эффективности.

Применение

Уничтожение эксергии тесно связано с созданием энтропии, и поэтому любая система, содержащая сильно необратимые процессы, будет иметь низкую энергетическую эффективность. В качестве примера, процесс сгорания внутри газовой турбины электростанции является сильно необратимым, и примерно 25% входящей эксергии будет уничтожено. Для ископаемого топлива свободная энтальпия реакции обычно лишь незначительно меньше энтальпии реакции, поэтому из уравнений следует, что энергетическая эффективность будет соответственно выше, чем эффективность, определяемая первым законом термодинамики. Например, типичная комбинированная электростанция, работающая на метане, может иметь энергетическую эффективность 55%, в то время как ее эксергетическая эффективность составит 57%. 100% эксергетически эффективная электростанция, работающая на метане, соответствовала бы энергетической эффективности 98%. Это означает, что для многих используемых нами видов топлива максимальная достижимая эффективность может превышать 90%, однако во многих ситуациях мы ограничены эффективностью Карно из-за использования теплового двигателя.

О тепловой машине Carnot

Для любого теплового двигателя, эксэргетическая эффективность сравнивает рассматриваемый цикл с циклом теплового двигателя Карно, у которого температура холодного резервуара находится в равновесии с окружающей средой. Следует отметить, что двигатель Карно является максимально эффективным тепловым двигателем, но не самым эффективным устройством для производства работы. Например, топливные элементы теоретически могут достигать гораздо большей эффективности, чем двигатель Карно; их источник энергии не является тепловой, поэтому их эксэргетическая эффективность не сопоставляется с двигателем Карно.

Эффективность при максимальной мощности

Ни первый, ни второй закон термодинамики не содержат оценку скорости преобразования энергии. Когда оценка максимальной скорости преобразования энергии включается в оценку эффективности второго закона, это называется эффективностью второго закона при максимальной мощности и напрямую связана с принципом максимальной мощности (Gilliland 1978, с. 101).