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
|
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.