Exergy

В термодинамике exergy в системе является максимальной полезной работа, возможная во время процесса, который приводит систему в равновесие с резервуаром тепла, максимальную энтропии. Когда окружающая среда является резервуаром, эксергия - это способность системы вызывать изменение по мере того, как она достигает равновесия с окружающейсредой. Эксергия - это энергия, которую можно использовать. Когда система и окружение достигают равновесия, эксергия равна нулю. Определение эксергии также было первой целью термодинамики. Термин «эксергия» был введен в 1956 г. Зораном Рэнтом (1904–1972) с использованием греческих ex и ergon, означающих «из работа », но концепцию Дж. Уиллард Гиббс в 1873 году.

Энергия не создается и не разрушается во времяпроцесса. Энергия переходит из одной формы в другую (см. Первый закон термодинамики ). Напротив, противостояние всегда разрушается, когда процесс необратим, например, потеря тепла в мире эксергия (см. Второй закон термодинамики ). Это разрушение энтропии окружтропии системы вместе с ее (см. Производство энтропии ). Разрушенная эксергия получила название анергии. Для изотермического процесса эксергия и энергия являются взаимозаменяемымитерминами, и анергия отсутствует.

• 1 Определения
  • 1.1 Тепловой двигатель
• 2 Математическое описание
  • 2.1 Применение второго закона термодинамики
  • 2.2 Исторический и культурный аспект
  • 2.3 Потенциал для каждой термодинамической ситуации
  • 2.4 Химическая эксергия
    • 2.4.1 Важные уравнения
    • 2.4.2 Общая эксергия
  • 2.5 Необратимость
• 3 Приложения
  • 3.1 Технические приложения
  • 3.2 Приложения в использовании природных ресурсов
  • 3.3Приложения в области устойчивого развития
  • 3.4 Присвоение одного термодинамически полученного значения экономического благу
  • 3.5 Последствия для развития сложных физических систем
  • 3.6 Философские и космологические последствия
• 4 Качество типов энергии
  • 4.1 Эксергия тепла, доступного при температуре
  • 4.2 Связь с экономической ценностью
  • 4.3 Оценка жизненного цикла на основе эксергии (LCA)
• 5 История
  • 5.1 Карно
  • 5.2 Гиббс
• 6 См. Также
• 7 Примечания
• 8 Ссылки
• 9 Дополнительная литература
• 10 Внешние ссылки

Эксергия - это свойство системы комбинации и окружающей среды, потому что оно зависит от состояния как системы, так и окружающей среды. Эксергия системы, находящейся в равновесии с окружающей средой, равна нулю. Эксергия не является ни термодинамическим своим веществом, ни термодинамическим потенциалом системы. И эксергия, и имеют единицу единицы джоулей. внутренняя энергия система всегда измеряется от фиксированного эталонного состояния, следовательно, всегда является функцией состояния . Некоторые авторы определяют эксергию системы, которая должна изменяться при изменении окружающей среды, и в этом случае это не функция состояния. Другие авторы предпочитают несколько альтернативных определений доступа или эксергии системы, где окружающая среда четко определена, как указано другое определение эталонного состояния.

Однакос теоретической точки зрения эксергия может быть определена без привязки к какой-либо среде. Различаются интенсивные свойства различных элементов системы, различаются, всегда есть возможность извлечь из системы механическую работу.

Термин эксергия также используется, по аналогии с его физическим определением, в теории информации, относящейся к обратным вычислениям. Эксергия также является синонимом: доступной энергии, эксергической энергии, эссергии (считаетсяархаической), полезной, доступной полезной работы, максимальной (или минимальной) работы, максимального (или минимального) рабочего содержания, обратимой работы и идеальная работа.

Разрушение эксергии цикла - это сумма разрушения эксергии процессов, составляющих этот цикл. Эксергетическое разрушение цикла также можно определить без отдельных процессов, рассматривая цикл как единый процесс и использование из правил эксергет разрушения.

Тепловой двигатель

Длятеплового двигателя эксергия может быть просто определена как вложенная энергия, умноженная на КПД Карно. Многие системы можно моделировать как тепловую машину, это определение может быть полезно для многих приложений.

Применение второго закона термодинамики

Exergy использует границы системы способом, который многим незнаком. Мы предполагаем наличие машины Карно между системой и ее эталонной средой,даже если эта движка не существует в реальном мире. Его единственная измерить цель результаты сценария «что, если», эффективное использование, возможное между системой и ее окружением.

, которая ведет как неограниченный резервуар, остается неизменным со стороны системы. Пусть B, эксергия или доступная работа, уменьшается со временем, а S итого, энтропия системы и ее эталонной среды, заключенных вместе в более крупную изолированную систему, увеличивается современем:

$d\; B\; dt\; \le \; 0\; эквивалентно\; d\; S\; totaldt\; \ge \; 0\; (1)\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; B\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; t\}\}\; \backslash \; leq\; 0\; \{\backslash \; t\_dv\; \{эквивалентно\}\}\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; S\_\; \{total\}\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; t\}\}\; \backslash \; geq\; 0\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(1)\}\}\}$

Для макроскопических систем (см. выше термодинамический предел ), оба этих утверждения являются выражениями второго закона термодинамики, если для эксергии используется следующее выражение:

$B\; =\; U\; +\; PRV\; -\; TRS\; -\; \sum \; i\; \mu \; я,\; RN\; я\; (2)\; \{\backslash Стиль\; отображения\; B\; =\; U\; +\; P\_\; \{R\}\; V-T\_\; \{R\}\; S-\; \backslash \; sum\; \_\; \{i\}\; \backslash \; mu\; \_\; \{i,\; R\}\; N\_\; \{i\}\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(2)\}\}\}$

где экстенсивные величины для системы: U = внутренняя энергия, V = объем и N i= Моли компонент i

интенсивные количества для окр у жа жа среды: P R= Давление, T R= температура, μ i, R = Химический потенциал компонента i

Отдельные термины также часто имеют название: $PRV\; \{\backslash \; displaystyle\; P\_\; \{R\}\; V\}$называется "доступная работа PV", $TRS\; \{\backslash \; displaystyle\; T\_\; \{R\}\; S\}$называется «энтропийной потеря» или «потеря тепла», и последний термин называется «доступная химическая энергия».

Другие термодинамические потенциалы Программирование для замены внутренней энергии при условии, что уделяется должное внимание распознаванию того, какие естественные переменные соответствуют какому потенциалу. Рекомендуемую номенклатуру этих потенциалов см. (Олберти,2001). Уравнение (2) полезно для процессов, которые изменяют объем, энтропию и количество молей различных компонентов, внутренняя энергия также является функцией этих чисел, а не других.

Альтернативное определение внутренней энергии не отделяет доступный химический потенциал от U. Это выражение полезно (при замене в уравнении (1)) для процессов, в которых объем и энтропия системы изменяются, но не происходит химической реакции:

$B\; =\; U\; [\mu \; 1,\; \mu \; 2,...\; \mu \; n]\; +\; PRV\; -\; TRS\; =\; U[\mu ]\; +\; PRV-\; TRS\; (3)\; \{\backslash \; displaystyle\; B\; =\; U\; [\backslash \; mu\; \_\; \{1\},\; \backslash \; mu\; \_\; \{2\},...\; \backslash \; mu\; \_\; \{n\}]\; +\; P\_\; \{R\}\; V-T\_\; \{R\}\; S\; =\; U\; [\{\backslash \; boldsymbol\; \{\backslash \; mu\}\}]\; +\; P\_\; \{R\}\; V-T\_\; \{R\}\; S\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(3)\}\}\}$

В этом набор химикатов при заданных энтропиях и будет иметь одно числовое значение для этого термодинамического потенциала. Система с помощью состояний может усложнить или упростить задачу, поскольку правило Гиббса предсказывает, что интенсивные количества больше не будут полностью независимымидруг от друга.

Исторический и культурный аспект

В 1848 году Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин, задал (и сразу ответил) на вопрос

Есть ли какой-либо принцип, по которому можно ли построить абсолютную термометрическую шкалу? Карно позволяет нам дать утвердительный ответ.

Задним числом, существимся в уравнении (3), мы понять историческое влияние идеи Кельвина на физику.. Кельвин предположил, что наилучшая температурная шкала будет описывать постояннуюспособностьтемпературы в окружающей среде среды доступную работу двигателя Карно. Из предложений (3):

$d\; B\; d\; TR\; =\; -\; S\; (4)\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; B\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; T\_\; \{R\}\}\}\; =\; -\; S\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(4)\}\}\}$

Рудольф Клаузиус признал наличие константы анализости в анализе Кельвина и дал ей название энтропия в 1865 году из Греческого слово означает « преобразование », потому что оно указывает количество энергии, потерянной во время преобразования тепла вработу.Доступная работа двигателя Карно максимальна, когда температура окружающей среды составляет абсолютный ноль.

. Тогда, как и сейчас, физики часто смотрят свойство со словом «доступный» или «пригодный для использования» в его имя с некоторым беспокойством. Идея того, что доступно, поднимает вопрос «для чего доступно?» и вызывает озабоченность по поводу того, является ли такое свойство антропоцентрическим. Законы, используемые с использованием таких свойств, не описываютвселенную, а вместо этого описывать то, что люди хотят видеть.

Область статистической механики (начиная с работ Людвига Больцмана по разработке уравнения Больцмана ) избавила многих физиков от этой озабоченности. Из дисциплины мы теперь знаем, что все макроскопические свойства могут быть реализованы на основе свойств в микроскопическом масштабе, где энтропия более «реальна», чем сама температура. Термодинамическая температура ).Микроскопическиекинетические колебания между частями вызывают энтропийные потери, и эта энергия недоступна для работы, потому что эти колебания проходят случайным образом во всех направлениях. В глазах некоторых физиков и инженеров сегодня антропоцентрический акт совершается, когда кто-то проводит гипотетическую границу, фактически он говорит: «Это моя система. То, что происходит за ее пределами, - это окружение ». В этом контексте эксергия иногда описывается как антропоцентрическое свойствокак теми, кто ееиспользует, так и теми, кто ее не использует. Энтропия рассмотрела как более фундаментальное свойство материи.

В области экологии взаимодействие между системами (в основном экосистемами ) и их манипуляции с ресурсами эксергии имеют первостепенное значение. С этой точки зрения ответ «для чего доступ?» просто: «для доступной системы», потому что экосистемы существуют в реальном мире. С точки зрения системной экологии такое свойствоматерии, как абсолютнаяэнтропия, рассматривается как антропоцентрическое, поскольку оно определено относительно недостижимой гипотетической системы отсчета изолированно при абсолютном нуле температуры. С акцентом на системе, а не на материю, эксергия как совместное свойство системы с идеализированной системой отсчета.

Потенциал для каждой термодинамической ситуации

Дополнение к $U\; \{\backslash \; displaystyle\; U\; \backslash \}$и $U\; [\mu ]\; \{\backslash \; displaystyle\; U\; [\{\backslash \; boldsymbol\; \{\backslash \; mu\}\}]\}$, другие термодинамические потенциалы часто используются для определения эксергии. Для данного набора химических веществ при данной энтропии и давлении энтальпия H используется в выражении:

$B\; =\; H\; -\; TRS\; (5)\; \{\backslash \; displaystyle\; B\; =\; H-T\_\; \{R\}\; S\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(5)\}\}\}$

Для данного набора химикатов в объеме свободная энергия Гельмгольца A используется в выражении:

$B\; =\; A\; +\; PRV\; (6)\; \{\backslash \; displaystyle\; B\; =\; A\; +\; P\_\; \{\; R\}\; V\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(6)\}\}\}$

Дляданного химикатов при заданнойтемпературе и давлении Гиббс набора свободная энергия G используется в выражении:

$B\; =\; G\; (7)\; \{\backslash \; displaystyle\; B\; =\; G\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(7)\}\}\}$

Потенциалы A и G используются для постоянного температурного процесса. В этих случаях энергия свободна для выполнения полезной работы, потому что нет энтропийных потерь. Химическая реакция, которая генерирует электричество без изменений, также не будет испытывать энтропийных потерь. (См. Топливный элемент.) Это вернодлялюбого изотермического процесса. Примерами являются гравитационная потенциальная энергия, кинетическая энергия (в макроскопическом масштабе), солнечная энергия, электрическая энергия и многие другие. Если трение, аналогичное поглощение, электрическое сопротивление или необходимое преобразование энергии необходимо учитывать влияние тепла на термодинамические потенциалы, и это удар,который уменьшает доступную мощностьэнергии

Химическая эксергия

Подобно термомеханической эксергии, химическая эксергия зависит от температуры и давления в системе, а также от состава. Ключевое изменение в химической эксергии от термомеханической эксергии в том, что термомеханическая эксергия не во внимание различие в химическом составе системы и окружающей среды. Если температура, давление или состав системы отличаются от состояния окружающей среды, тогда вся система будетиметь эксергию.

Определениехимической эксергии напоминает стандартное определение термомеханической эксергии, но с некоторыми отличиями. Химическая энергия определяется как максимальная работа, когда рассматриваемая система вступает в реакцию с эталонными веществами, присутствующими в окружающей среде. Определение эталонной среды эксергии - одна из наиболее важных частей анализа химической эксергии. В общей среде определяется как состав воздуха при 25 ° C и давлении 1 атм. При этихсвойствах воздух состоит из N 2= 75,67%, O 2 = 20,35%, H 2, O (г) = 3, 12%, CO 2 = 0,03%, а другие газы = 0,83%. Эти молярные дополнительные полезные при использовании уравнения 8 ниже.

CaHbOc- это вещество, которое входит в систему, для которой нужно найти максимальную теоретическую работу. Используя следующие уравнения, можно рассчитать химическую эксергию вещество в данной системе. Ниже в уравнении 8 для расчета химической эксергии используетсяфункция Гиббса соответствующего элемента илисоединения. Уравнение 9 похоже, но использует стандартную молярную химическую эксергию, которую ученые определили на основании нескольких критериев, включая температуру и давление окружающей среды, при которой система анализируется и проверяется наиболее распространенных компонентов. Эти значения можно найти в термодинамических книгах или в онлайн-таблицах.

Важные уравнения

$e\; ¯\; ch\; =\; [g\; ¯\; F\; +\; (a\; +\; b\; 4\; -\; c\; 2)\; g\; ¯\; O\; 2\; -\; ag\; ¯\; CO\; 2\; -\; b\; 2\; g¯\; H\; 2\; O\; (g)]\; (T\; 0,\; п\; 0)\; +\; R\; ¯\; T\; 0\; ln\; [(y\; O\; 2e)a\; +\; b\; 4\; -\; c\; 2\; (y\; CO\; 2\; e)\; a\; (y\; H\; 2\; О\; е)\; б\; 2]\; (8)\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bar\; \{e\}\}\; ^\; \{ch\}\; =\; \backslash \; left\; [\{\backslash \; bar\; \{g\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{F\}\}\; +\; \backslash \; left\; (a\; +\; \{\backslash \; frac\; \{b\}\; \{4\}\}\; -\; \{\backslash \; frac\; \{c\}\; \{2\}\}\; \backslash \; right)\; \{\backslash \; bar\; \{g\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{O\_\; \{2\}\}\}\; -a\; \{\backslash \; bar\; \{g\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{CO\_\; \{2\}\}\}\; -\; \backslash ,\; \{\backslash \; frac\; \{b\}\; \{2\}\}\; \{\backslash \; bar\; \{g\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{H\_\; \{2\}\; O\}\; (g)\}\; \backslash \; right]\; \backslash ,\; \backslash \; left\; (T\_\; \{0,\}\; p\_\; \{0\}\; \backslash \; right)\; +\; \{\backslash \; bar\; \{R\}\}\; T\_\; \{0\}\; \backslash ,\; ln\; \backslash \; left\; [\{\backslash \; frac\; \{\{\{(y\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{O\_\; \{2)\}\}\}\; ^\; \{e\})\}\; ^\; \{\; a\; +\{\backslash \; frac\; \{b\}\; \{4\}\}\; -\; \backslash ,\; \{\backslash \; frac\; \{c\}\; \{2\}\}\}\}\; \{\backslash \; left(\; y\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{CO\_\; \{2\}\}\}\; ^\; \{e\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{a\}\; \backslash \; left\; (y\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{H\_\; \{2\}\; O\}\}\; ^\; \{e\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{\backslash \; frac\; \{b\}\; \{2\}\}\}\}\; \backslash \; right]\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(8)\; \}\}\}$

где:

$g\; ¯\; x\; =\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bar\; \{g\}\}\; \_\; \{x\}\; =\}$функция Гиббса конкретного вещества в системе в $(T\; 0,\; п\; 0)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; left\; (T\_\; \{0,\}\; p\_\; \{0\}\; \backslash \; right)\}$. ($г\; ¯\; F\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bar\; \{g\}\}\; \_\; \{F\}\}$>>>>относится к веществу, которое попадает в систему)

$R\; ¯\; =\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bar\; \{R\}\}\; =\}$ Универсальная газовая постоянная (8,314462 Дж / моль • K)

$T\; 0\; =\; \{\backslash \; displaystyle\; T\_\; \{0\}\; =\}$Температура системы оценивается при абсолютной Температура

$yxe\; =\; \{\backslash \; displaystyle\; y\_\; \{x\}\; ^\; \{e\}\; =\; \backslash ,\}$Молярная доля данного вещества в окружающей среде, т.е. воздух

$e\; ¯\; ch\; =\; [g\; ¯\; F\; +\; (a\; +\; b\; 4\; -\; c\; 2)\; g\; ¯\; O\; 2\; -\; ag\; ¯\; CO\; 2\; -\; b\; 2\; g\; ¯\; H\; 2\; O\; (g)]\; (T\; 0,\; p\; 0)\; +\; ae\; ¯\; CO\; 2\; ch\; +\; (á\; 2)\; е\; ¯\; H\; 2\; O\; (l)\; ch\; -\; (a\; +\; b\; 4)\; e\; ¯\; O\; 2\; ch\; (9)\; \{\backslash \; displ\; aystyle\; \{\backslash \; bar\; \{e\}\}\; ^\; \{ch\}\; =\; \backslash \; left\; [\{\backslash \; bar\{g\}\}\; \_\{\backslash \; mathrm\; \{F\}\}\; +\; \backslash \; left\; (a\; +\; \{\backslash \; frac\; \{b\}\; \{4\}\}\; -\; \{\backslash \; frac\; \{c\}\; \{2\}\}\; \backslash \; right)\; \{\backslash \; bar\; \{g\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{O\_\; \{2\}\}\}\; -a\; \{\backslash \; bar\; \{g\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{CO\_\; \{2\}\}\}\; -\; \backslash ,\; \{\backslash \; frac\; \{b\}\; \{2\}\}\; \{\; \backslash \; bar\; \{g\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{H\_\; \{2\}\; O\}\; (g)\}\; \backslash \; right]\; \backslash ,\; \backslash \; left\; (T\_\; \{0,\}\; p\_\; \{0\}\; \backslash \; right)\; +\; a\; \{\backslash \; bar\; \{e\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{CO\_\; \{2\}\}\}\; ^\; \{ch\}\; +\; \backslash ,\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{b\}\; \{2\}\}\; \backslash \; right)\; \{\backslash \; bar\; \{e\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{H\_\; \{2\}\; O\}\; (l)\}\; ^\; \{ch\}\; -\; \backslash ,\; \backslash \; left\; (a\; +\; \backslash ,\; \{\backslash \; frac\; \{b\}\; \{4\}\}\; \backslash \; right)\; \{\backslash \; bar\; \{e\}\}\; \_\; \{\backslash mathrm\; \{O\_\; \{2\}\}\; \}\; ^\; \{ch\}\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(9)\}\}\}$

где:

$e\; ¯\; xch\; =\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bar\; \{e\}\}\; \_\; \{x\}\; ^\; \{ch\}\; =\; \backslash ,\}$Стандартная молярная химическая эксергия, взятая из таблицы для конкретных условий, при которых оценивается система

Уравнение 9 чаще используется из-за простоты поиска стандартной стандартной эк сергии для данных веществ. Использование стандартной таблицы даже хорошо работает в большинстве случаев, если условия окружающей среды незначительно меняются, разница,скорее всего, незначительна.

Общая эксергия

После расчета химической эксергии в данной системе, можно найти общую эксергию, добавив ее к термомеханической эксергии. В зависимости от количества добавляемой химической эксергии может быть очень небольшое. Если оцениваемая система включает горение, количество химической эксергии очень велико и необходимо для определения общей эксергии системы.

Необратимость

Необратимость учитывает количество эксергии,разрушенной в закрытой системе или другимисловами, потерянныйрабочий потенциал. Это также называется рассеянной энергией. Для высокоэффективных систем - я низкое, и наоборот. Уравнение для расчета необратимости замкнутой системы, потому что оно связано с эксергией этой системы следующим образом:

$I\; =\; T\; 0\; sgen\; (10)\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; =\; T\_\; \{0\}\; s\_\; \{gen\}\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{\; (10)\}\}\}$

где: $sgen\; \{\backslash \; displaystyle\; s\_\; \{gen\}\}$- энтропия, генерируемая системными процессами.

Если $I>0\; \{\backslash \; displaystyle\; I>0\}$, значит, в системе присутствуют необратимости. Если $I\; =\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; =\; 0\}$, то есть в

Значение I, необратимость, не может быть отрицательным, так как это не свойство. Напротив, доступность - это другая история, которая является свойством

Анализ эксергии основан на фактической работой имаксимальной работой,которая может быть получена в обратимом процессе:

$wact\; =\; wmax\; -\; I\; (11)\; \{\backslash \; displaystyle\; w\_\; \{act\}\; =\; w\_\; \{max\}\; -I\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(11)\}\}\}$

Первый член правой части связан с разницей в эксергии на выходе и выходе системы:

$wmax\; =\; \Delta \; B\; =\; B\; вход\; -\; B\; выход\; (12)\; \{\backslash \; displaystyle\; w\_\; \{max\}\; =\; \backslash \; Delta\; B\; =\; B\_\; \{in\; \}\; -B\_\; \{out\}\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(12)\}\}\}$

Для изолированной системы:

Никакого теплового или рабочеговзаимодействия с окружающей средой не происходит, и,следовательно, нетпередачи возможности между системой и ее окружением. Изменение эксергии изолированной системы эквивалентно, но противоположно значению необратимости этой системы.

$\Delta \; B\; =\; -\; I\; (13)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; B\; =\; -I\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(13)\}\}\}$

Применение уравнений (1) к подсистеме дает :

Это выражение одинаково хорошо применимо к теоретическим идеалам в самых разных приложениях: электролиз (уменьшение G), гальванические элементы и топливные элементы (увеличение в G), взрывчатые вещества (увеличение A), отопление и охлаждение (замена H), двигатели ( уменьшение U) и генераторы (увеличение U).

Использованиеконцепции эксергии часто требует тщательного рассмотрения выбора эталонной среды, потому что, как известно, неограниченные резервуары не существуют в реальном мире. Систему можно поддерживать при постоянной температуре для лабораторного резервуара в лаборатории или на заводе, но эти системы нельзя изолировать от более крупной окружающей среды. Однако при правильном выборе системы можно вообразить разумный постоянныйрезервуар. Иногда нужно сравнивать с «наиболее реалистичнойневозможностью».

Инженерные приложения

Применение эксергии в единичных операциях на химических заводх было частично ответственно за огромный рост химической промышленности в 20 веке. В то время это обычно называлось доступностью или доступной работой.

В качестве примера примера эксергии, воздух при атмосферных условиях температуры, давления и состава энергии, но не эксергию,когда он выбран в качестве термодинамического эталонногосостояния, известнаякак окружающая среда. Отдельные процессы на Земле, такие как горение на электростанции, часто в результате приводят к продуктам, которые создают атмосферу в атмосфере, созданию этого эталонного состояния для эксергии полезно, даже если сама атмосфера не находится в равновесии и полна долгосрочных и краткосрочных изменениях..

Если стандартные условия окружающей среды используются для расчетов вовремя работы химического завода, когда некоторые частихимического завода имеютэксергетический КПД более 100% и без учета Учет нестандартных колебаний температуры атмосферы может создать впечатление вечного двигателя. Использование фактических условий дает фактические значения, но стандартные условия окружающей среды полезны для первоначальных расчетов проекта.

Одна из целей и эксергетических методов в инженерии состоит в том, чтобы вычислить, что входит и выходит из агентов дотого, как будет построен завод. Вход и выход энергии всегдасбалансированы всоответствии с Первым законом термодинамики или принципом сохранения. Выход эксергии не будет уравновешивать вход эксергии для реальных процессов, поскольку часть входящей системы всегда разрушается в соответствии с вторым эксым законом термодинамики для реальных процессов. После завершения ввода и вывода инженер часто хочет выбрать наиболее эффективный процесс. энергоэффективность илиэффективность первого закона определяет наиболее эффективныйпроцесс, основанный назатратах как можно меньшего количества энергии по сравнению с затратами энергии. эксергетическая эффективность, или эффективность второго закона, будет определять наиболее эффективный процесс, основанный на потере и уничтожении как можно меньшего количества доступной работы из заданного ввода доступной работы.

Применение в использовании природных ресурсов

В последние десятилетияиспользование эксергии распространилось за пределы физики иинженерии в области промышленной экологии, экологической экономики, системная экология и энергетика. Определение того, где заканчивается одно поле и начинается следующее, является вопросом семантики, но приложения эксергии можно разделить на жесткие категории.

Исследователи в области экологической экономики и экологического учета проводят анализ эксергетических затрат,чтобы оценить влияние человеческой деятельности на текущую природную среду. Каки в случае с окружающим воздухом, это часто требует нереалистичной замены свойств окружающей среды на эталонное состояние среда Карно. Например, экологи и другие разработали эталонные условия для океана и земной коры. Значения эксергии для человеческой деятельности с использованием этой информации могут быть полезны для сравнения альтернативных политик, основанныхна эффективности использования природных ресурсов длявыполнения работы. Типичныевопросы, на которые можно ответить:

Использует ли человеческое производство одной единицы экономического блага методом A больше эксергии ресурса, чем методом B?

Производит ли человечество экономическое благо A использует больше эксергии ресурса, чем производство блага B?

Использует ли человеческое производство экономического блага A эксергию ресурса более эффективно, чемпроизводство блага B?

Достигнут некоторый прогресс в стандартизациии применяя эти методы.

Для измерения эксергии требуется оценка окружающей среды эталонного состояния системы. Что касается приложений эксергии к использованию природных ресурсов, процесс количественной оценки системы требует присвоения стоимости (как используемой, так и потенциальной) ресурсам, которые не всегда легко разделить на типичные показатели затрат и выгод. Однако для того, чтобы полностью реализоватьпотенциал системы для выполнения работы, становится все более необходимымпонимать эксергетическийпотенциал природных ресурсов и то, как вмешательство человека изменяет этот потенциал.

Ссылка на неотъемлемые качества системы вместо эталонной государственной среды - это самый прямой способ, которым экологи определяют эксергию природного ресурса. В частности, проще всего исследовать термодинамические свойства системы и эталонные вещества, которые приемлемы в эталонной среде.Это определение позволяет предположить качества в естественном состоянии:отклонение от этих уровнейможет указывать на изменение окружающей среды, вызванное внешними источниками. Существует три типа эталонных веществ, которые приемлемы в связи с их распространением на планете: газы в атмосфере, твердые вещества в земной коре и молекулы или ионы в морской воде. Понимая эти базовые модели, можно определить эксергию взаимодействующих нескольких земных систем,например влияние солнечной радиации на жизнь растений. Эти основныекатегории используются вкачестве основных компонентов эталонной среды при изучении того, как эксергия может быть определена через природные ресурсы.

Другие качества окружающей среды в нормальном состоянии включают температуру, давление и любое количество комбинаций веществ в пределах определенной области. Опять же, эксергия системы определяется потенциалом этой системы выполнять работу, поэтому необходимоопределить базовые качества системы, прежде чем станет возможным понятьпотенциал этой системы.Термодинамическую ценность ресурса можно найти, умножив эксергию ресурса на стоимость его получения и обработки.

Сегодня становится все более популярным анализ воздействия на окружающую среду использования природных ресурсов, особенно для использования энергии. Чтобы понять последствия этих методов, эксергия используется как инструмент для определения потенциала воздействия выбросов, топлива и других источников энергии. Горение изИскопаемое топливо,например, исследуется с точки зрения оценки воздействия на окружающую среду сжигания угля, нефти и природного газа. Существующие методы анализа выбросов этих трех продуктов можно сравнить с процессом определения эксергии затронутых систем; в частности, полезно исследовать их в отношении эталонного состояния среды газов в атмосфере. Таким образом легчеопределить, как деятельность человека влияет на окружающую среду.

Приложения вобласти устойчивого развития

В системной экологии исследователи иногда рассматривают эксергию текущего образования природных ресурсов из небольшого количества эксергетических входов (обычно солнечной энергии). радиация, приливные силы и геотермальное тепло ). Это приложение требует не только предположений об эталонных состояниях, но и предположений ореальных средах прошлого, которые могли быть близки к этим эталоннымсостояниям. Можем ли мырешить, что является наиболее «реалистичной невозможностью» за такой длительный период времени, когда мы только размышляем о реальности?

Например, сравнение эксергии нефти и эксергии угля с использованием общего эталонного состояния потребует исходных данных геотермальной эксергии для описания перехода от биологического материала к ископаемому топливу в течение миллионов лет в земной коре ивкладов эксергии солнечного излучения в описать историю материала дотого момента, когда он былчастью биосферы. Это должно быть выполнено математически назад во времени, к предполагаемой эпохе, когда можно было бы предположить, что нефть и уголь получают одинаковые входные данные эксергии из этих источников. Предположение о прошлой среде отличается от присвоения эталонного состояния по отношению к известной окружающей среде сегодня. Разумные предположения о реальных древних средах могут бытьсделаны, но это непроверяемые предположения, поэтому некоторые считаютэто приложение псевдонаукой или псевдотехникой.

Поле описывает эту накопленную эксергию в природном ресурсе с течением времени как воплощенную энергию с единицами «воплощенного джоуля» или «эмджоуля».

Важным применением этого исследования является рассмотрение вопросов устойчивости количественным образом посредством измерения устойчивости :

Истощает ли человеческоепроизводство экономических благ эксергию Земли? природные ресурсы быстрее, чем этиресурсы могут получать эксергию?

Если да, то как это соотносится с истощением, вызванным производством того же товара (или другого) с использованием другого набора природных ресурсов?

Присвоение одного термодинамически полученного значения экономическому благу

Метод, предложенный системными экологами, заключается в объединении трех входов эксергии, описанных в последнем разделе, вединый вход эксергии солнечной радиации и выражении общий вклад эксергии вэкономическое благо ввиде джоуля или сейсмической энергии в воплощении солнечной энергии. (См. Emergy ) Входы эксергии от солнечных, приливных и геотермальных сил в одно время имели свое происхождение в начале солнечной системы в условиях, которые можно было выбрать в качестве начального эталонного состояния, и других умозрительных ссылок. государства теоретически могут быть прослежены к тому времени. With th is tool we would be able to answer:

What fraction of the total human depl etion of the Earth'sexergy is caused by the production of a particular economic good?

What fraction of the total human and non-human depletion of the Earth's exergy is caused by the production of a particular economic good?

No additional thermodynamic laws are required for this idea, and the principles of energetics may confuse many issues for those outside the field. The combination of untestable h ypotheses, unfamiliar jargon that contradicts accepted jargon, intense advocacyсреди его сторонников - экономический результат фундаментального закона природы. Согласно этой точке зрения, эксергия является аналогом экономической валюты в мире природы. Аналогия с капитальными вложениями - это накопление эксергии в системе в течение длительных периодов времени, приводящее к воплощенной энергии. Аналогия капиталовложений, приводящих к фабрике с высокой эксергетической эффективностью, -это увеличение естественных организационных структур с высокой эксергетической эффективностью. (См. Максимальная мощность ). Исследователи в этих областях описывают биологическую эволюцию с точки зрения увеличения сложности организма из-за необходимости повышения эффективности эксергии из-за конкуренции за ограниченные источники эксергии.

У некоторых биологов есть похожая гипотеза. Биологическая система (или химическая установка) с рядом промежуточных отсеков ипромежуточных возможностей более эффективна, потому что процесс разделен на множество небольших подэтапов, и это ближе к систем и экосистем, максимизирующих свою эффективность по эксергии за счет использования законов термодинамики, разработанных в 19 веке.

Философские и космологические последствия

Некоторые сторонники использования концепций эксергии описывают их как биоцентрическую или экоцентрическую альтернативу таким терминам, как качество и значение. «глубинная экология " movement views economic usage of these terms as an anthropocentric philosophy which should bediscarded. A possible universal therm odynamic concept of value or utility обращается к тем, кто интересуется монизмом.

Для некоторых конечным результатом такого подхода к отслеживанию эксергии в глубокое прошлое является повторение космологического аргумента, что когда-то Вселенная была при равновесии и вводе эксергии от некоторой Первопричины создается вселенная, полная доступной работы. Современная наука не может описать первые 10 секунд Вселенной (см.Хронология Большого взрыва ).Внешнее эталонное состояние не может быть определено для такого события, и (независимо от его достоинств) такой аргумент может быть лучше выражен в терминах энтропии.

Отношение эксергии к энергии в веществе можно рассматривать как меру качества энергии. Формы энергии, такиекак макроскопическая кинетическая энергия, электрическая энергия и химическая свободная энергия Гиббса, на 100%восстанавливаются в виде работы и, следовательно,имеют эксергию, равную их энергии. Однако формы энергии, такие как излучение и тепловая энергия, не могут быть полностью преобразованы в работу, и содержание эксергии меньше их энергетического содержания. Точная пропорция эксергии в веществе зависит от количества энтропии относительно окружающей среды, как определено вторым законом термодинамики.

Эксергия полезна при измерении эффективности процесса преобразования энергии.Эксергетический, или второй закон, эффективность - это отношениеэксергетического выхода, деленного на эксергетический вход. Эта формулировка учитывает качество энергии, часто предлагая более точный и полезный анализ, чем оценки эффективности, только с использованием Первого закона термодинамики.

Работа может быть извлечена также из тел, более холодных, чем окружающая среда.Когда поток энергии входит в тело, работа выполняется этой энергией, полученной из большого резервуараокружающей среды. Количественная трактовка понятия качества энергииосновывается на оценке энергии. Согласно стандартному определению, Энергия - это мера способности выполнять работу. Работа может создавать в себя движение массы под действием силы, развивающей в результате преобразования энергии. Если есть преобразование энергии, второй принцип преобразования потока энергии гласит, что этот процесс инициирует рассеяние некоторой энергии в виде тепла. Измерение количествавыделяемого тепла - это один из способов количественной энергии илиспособности выполнять работу и прикладывать силу на расстоянии.

Эксергия тепла, доступного при температуре

Максимально возможное преобразование тепла в работе, или эксергия тепла, от температуры, при которой доступно тепло, и уровень температуры, при котором отбракованное тепло может быть отведено,то есть температура окружающей среды. Верхний предел известен как КПД Карно и был обнаруженНиколя Леонаром Сади Карно в 1824 году. См. Также Тепловой двигатель Карно.

КПД Карно

$\eta \; =\; 1\; -\; TCTH\; (15)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; eta\; =\; 1\; -\; \{\backslash \; frac\; \{T\_\; \{C\}\}\; \{T\_\; \{H\}\}\}\; \backslash \; qquad\; \{\; \backslash \; t\_dv\; \{(15)\}\}\}$

где T H - более высокая температура, а T C - более низкая температура, оба как абсолютная температура. Из уравнения 15 ясно, что для достижениямаксимальной эффективности необходимо максимизировать T H и минимизировать T C.

, тогда обменэксергии равенство:

$B\; =\; Q\; (1\; -\; T\; o\; T\; источник)\; (16)\; \{\; \backslash \; displaystyl\; e\; \backslash \; B\; =\; Q\; (1\; -\; \{\backslash \; frac\; \{T\_\; \{o\}\}\; \{T\_\; \{source\}\}\})\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; t\_dv\; \{(16)\}\}\}$

где T source - температура источника тепла, а T o - температура окружающей среды.

Более высокое содержание эксергии обычно более высокие цены на энергию. Здесь затраты на отопление (вертикальная ось) сравниваются сэксергетическим использованием различных энергоносителей (горизонтальная ось) в Финляндии. Сюда входятэнергоносители: централизованное теплоснабжение (D), геотермальный насостепловой (G), тепловой насос вытяжного воздуха (A), биоэнергетика, то есть дрова (B), мазут (O) и прямое электрическое отопление (E). Красные точки и линия указывают на цену для потребителей, синие точки и линию указывают общую цену для потребителей, включая капитальные затраты на систему отопления.

Связь сэкономической стоимостью

Эксергия в некотором смысле может понимать как мера ценности энергии.Выполнить большую экономическую работу. Это можно увидеть по ценам наэнергоносители, т. Е. Энергоносители с высокой эксергетической энергией, такие как электричество, имеют тенденцию быть более ценными, чем носители с низким уровнем уровня, такие как различные виды топлива или тепло. Это привело к замене более ценных энергоносителей с высокой эксергетической энергией на энергоносители снизким содержанием энергии, когда это возможно. Пример использования системы отопления, где более высокиеинвестиции в систему отопления позволяют использовать источники энергии снизким энергопотреблением. Таким образом, высокоэнергетическое содержание заменяется капитальными вложениями.

Оценка жизненного цикла на основе эксергии (LCA)

Эксергия системы - это максимально полезная работа, возможная во время процесса, который приводит систему в норму. равновесие с тепловымрезервуаром. Уолл указывает на связь между эксергетическим анализом и с учетом ресурсов. Эта интуиция,подтвержденная Dewulf Sciubba, ведет к экергетическому учету и методам, специальнопредназначенным для LCA, таким как ввод эксергетического на единицу услуги (EMIPS). Концепция материальных затрат на единицу обслуживания (MIPS) количественно выражается в терминах второго закона термодинамики, что позволяет рассчитывать как ввод ресурсов, так и выпуск услуг в эксергетических терминах. Этотввод введенного материала на единицу услуги (EMIPS) разработан для транспортных технологий. Сервисучитывает не только общую массу перевозки, но и общую массу. Применимость методологии EMIPSотносится конкретно к транспортной системе и позволяет эффективно взаимодействовать с оценкой жизненного цикла.

Карно

В 1824 году Сади Карно изучил усовершенствования, разработанные для паровых двигателей Джеймсом Ваттом и другими. Карноиспользует теоретическую перспективу для этих двигателей и развил новые идеи. Он писал:

Частоподнимается вопрос, имеют ли возможные улучшения в паровых двигателях назначаемый предел -предел, который природа не позволяет преодолеть никакими средствами. что бы то ни было... Чтобы рассмотреть в самом общем виде принцип создания движения за счет тепла, его необходимо рассматривать независимо от какого-либо механизма или какого-либо конкретного агента. Необходимо установить применимые нетолько к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам... Движение в паровых машинах всегдасопровождается обстоятельствами, на которых мы должны сосредоточить наше внимание. Этообстоятельство является восстановлением равновесия... Представьте себе два тела A и B, каждое из которых поддерживает постоянную температуру, причем температуру A выше, чем температуру B. изменение их температуры выполняет функции двух неограниченных резервуаров...

Затем Карно описал то что теперьназывается двигатель Карно, и подтвердил его мысленным экспериментом что любойтепловой двигатель, работающий лучше этого двигателя, будет вечным двигателем. Дажев 1820-х годах существовала долгая история науки, запрещавшая такие устройства. По словам Карно, «такое создание полностью противоречит принятым сейчас идеям, законам механики и звуку физики. Это недопустимо ».

Это Описание верхней границы работы, которая может выполнятьдвигатель, было самой ранней современной формулировкой второго законаодинамики. Торговляпо-прежнему используется для современного понимания второго закона и энтропии.Сосредоточение Карно на тепловых резервуарах, равновесных и тепловых резервуарах также является лучшей отправной точкой для использования системы концепции эксергии.

Карно верил в неверную теорию калорий тепла, которая была популярна в его время, но егомысленный эксперимент, тем не менее, описал фундаментальный предел природы. Время кинетическая теория заменила теорию калорий в начале и середине 19 века (см. Хронологиятермодинамики ), несколько ученых добавили математическую точность к первому и второму законам термодинамики и разработал концепцию энтропии. Фокус Карно на процессах в масштабе человека (выше термодинамического предела ) привел к наиболее универсальным концепциям в физике. Энтропия и второй закон сегодня применяются в различных областях, от квантовой механики дофизической космологии.

Гиббса

В 1870-х годах ДжозайяУиллард Гиббс объединил большое количество термохимии 19 века в одну компактную теорию. Теория Гиббса включила новую концепцию химического потенциала, вызывающего изменения при удалении от химического равновесия, в более старую работу, начатую Карно приании описанного тепловогои механического равновесия и их потенциал к изменениям. Объединяющая теория Гиббса привела к термодинамическому потенциалу функциям состояния, описывающимотличия от термодинамического равновесия.

. В 1873 году Гиббс вывел математику «доступной энергии тела и среды» в ту форму, которую он имеет сегодня. (См. Уравнения выше ). Физика, описывающая эксергию, с тех пор мало изменилась.

• энергетический портал

• Производствоэнтропии
• Энергия: мировые ресурсы и потребление
• Emergy

• Bastianoni, E. ; Факкини, А.; Susani, L.;Тиецци (2007). «Эмерджия как функция эксергии». Энергия. 32 (7): 1158–1162. doi : 10.1016 / j.energy.2006.08.009.
• Стивен Джей Клайн (1999). Низкий уровень энтропии и интерпретирующей термодинамики, Ла Каньяда, Калифорния: DCW Industries. ISBN 1928729010.

• Energy, Incorporating Exergy, Международный журнал
• Аннотированная библиография Exergy /Доступность
• Exergy - полезная концепция Горана Уолл
• Учебник по эксергетикедля самообучения, Йоран Уолл
• Эксергия, Исидоро Мартинес
• Калькулятор эксергетики, предоставленный порталом Exergoecology
• Глобальная таблица ресурсов эксергетики
• Справочник по приложению 37 ECBCS МЭА, Системы с низким уровнем энергии для отопления и охлаждения зданий
• Введение вконцепцию Exergy