Эксергия и ее виды

Суммируя все сказанное выше, можно дать общее определение эксергии. Эксергия — это свойство термодинамической системы или потока энер­гии, определяемое (характеризуемое) количеством работы (механической энергии), которое может быть получено внешним приемником энергии при обратимом их взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия.

Термин «эксергия» был введен в 1956 г. 3. Рантом. Он состоит из двух частей: греческого слова «erg(on)» — «работа, сила» и приставки «ех», означающей «из», «вне».

Часть энергии, которая не является эксергией, называют анергией. Термин «анергия» также предложен 3. Рантом в 1962 г. Приставка сап» в переводе с греческого означает «не», «нет».

Использование понятий эксергия и анергия позволяет по-новому гово­рить о неограниченно и ограниченно превратимых формах энергии. Огра­ниченно превратимые формы энергии можно преобразовать в эксергию только частично. Остаток энергии в эксергию в этом случае не превратим. Поэтому такие формы энергии представляются состоящими из эксергии и анергии. Каждая из этих составляющих, в общем случае, может равняться нулю. Так, например, анергия электрической энергии равна нулю, тогда как для энергии, содержащейся в окружающей среде, нулю равна ее эксергия.

Таким образом, для всех форм энергии справедливо следующее общее соотношение:

Энергия = Эксергия + Анергия.

В соответствии с первым законом термодинамики во всех процессах сумма эксергии и анергии остается неизменной.

Необходимо подчеркнуть, что сказанное справедливо только для суммы эксергии и анергии (т. е., только для энергии), но не для эксергии и анергии по отдельности.

Поведение эксергии и анергии можно сформулировать так:

1. При протекании обратимых процессов эксергия остается неизменной.

2. В ходе необратимых процессов эксергия теряется и превращается в

Анергию.

3. Анергию в эксергию превратить невозможно.

Здесь следует обратить внимание на понятие «теряется». Термины «потеря энергии» и «потеря эксергии» имеют принципиально различное содержание. Потеря энергии, по существу, означает потерю не вообще (энергия исчезать, как известно, не может), а потерю для данного тела или данной системы. Потеря эксергии означает, напротив, ее полное исчез­новение, уничтожение, связанное с превращением в анергию.

В связи со всем изложенным можно дать сводку особенностей (табл. 8.2), определяющих различие между общим, фундаментальным по­нятием «энергия» и частным понятием «эксергия», отражающих одну из ее сторон — превращаемость в определенных условиях.

Для изучения свойств эксергии и правильного ее использования необхо­димо провести классификацию составляющих эксергии. Поскольку эксер­гия характеризует одну из сторон, граней жизни, такая классификация, прежде всего, связана с видами энергии. С этой точки зрения необходимо отделить эксергию, связанную с энергией первой группы (видами энергии, полностью превратимыми в другие виды энергии), от второй, включаю­щей энергию второй группы (ограниченно превратимой в другие виды). Классификация видов эксергии представлена в табл. 8.3.

В первой группе эксергия просто равна энергии (в соответствии с табл. 8.1 это механическая, электрическая и ядерная энергия).

Особенности энергии и эксергии Таблица 8.2 Энергия Эксергия Зависит только от параметров вещества или потока энергии и не зависит от параметров окружающей среды. Зависит от параметров как системы, так и окружающей среды. Всегда имеет значение, отличное от нуля. Может иметь значение, равное нулю (в нулевом состоянии — полное равновесие с окружающей средой). Подчиняется закону сохранения в любых процессах и уничтожаться не может. Подчинятся закону сохранения при обратимых процессах; в реальных, необратимых процессах частично или полностью уничтожается. Превратимость одних видов в другие ограничена по условиям второго начала термодинамики для всех процессов, в том числе обратимых. Превратимость одних составляющих в другие не ограничена для обратимых процессов по условиям второго начала термодинамики.

Таблица 8.3

Классификация видов эксергии

Эксергия видов энергии, полностью превр&тимых в другие виды энергии

Эксергия видов энергии, не полностью превратимых в другие виды энергии

I

Х

E = W

Эксергия Потока вещества

Эксергия потока энергии ЕфУ/

Эксергия в объеме вещества

Ко второй группе принадлежат все те виды эксергии, каждый из которых вычисляется по характерным только для него зависимостям, а поэтому нуждается в специальном рассмотрении. Это эксергия потока вещества, эксергия вещества в объеме и эксергия потока энергии.

Эксергия потока вещества состоит из двух слагаемых. Первое из них — термомеханическая (или физическая) эксергия связана с различием тер­мических ДТ и механических Ар параметров вещества и среды. Она измеряется количеством работы (механической энергии), которое может быть получено в обратимом процессе установления равновесия потока

Вещества со средой путем энергетического взаимодействия, но без обмена материей (веществом). При этом Т —> Т0 и р —► р0.

Вторая — нулевая (или химическая) эксергия связана с установлением равенства химических потенциалов между соответствующими компонен­тами рабочего тела и окружающей среды. Она измеряется количеством работы, которое может быть получено в обратимом процессе установления равновесия компонентов рабочего тела с соответствующими компонентами среды при р0 и Т0. Поскольку термомеханические параметры рабочего тела находятся в равновесии с параметрами среды (вещество находится в так называемом нулевом состоянии), то химическую эксергию иногда называют нулевой. Этим подчеркивается, что ее величина подсчитывается при нулевом состоянии.

Эксергия теплового потока определяется количеством работы, которая может быть получена в обратимом процессе снижения температуры до Т0.

Эксергия излучения определяется количеством работы, которая может быть получена при температуре окружающей среды Т0 за счет использо­вания в обратимом процессе энергии данного излучения.

Энергия вещества в замкнутом объеме характеризуется максимальным количеством работы, которая может быть получена при взаимодействии с окружающей средой вещества, заключенного в непроницаемую (для него) оболочку, способную деформироваться и проводить теплоту. Взаимодей­ствие в этом случае может происходить только по двум потенциалам — температуре и давлению.