О термодинамическом понятии «эксергия»

В настоящее время понятие «энергия» прочно вошло во все сферы человеческого мышления и деятельности до такой степени, что невозможно представить масштабы распространения этого понятия. Потому и трудно конкретно сформулировать и точно определить, что такое энергия. Но если не вдаваться в детали, можно сказать просто, что энергия – это способность совершать работу. Тогда становится не понятным установившаяся в термодинамике понятие «работоспособная часть энергии». Следовательно, энергия - это целое каких-то частей делящихся на работоспособную и неработоспособную части...

В середине XIX века энергия была признана как более фундаментальная величина, которая всегда присутствует во всех явлениях, тогда как силы могут появляться и исчезать.

Кельвин, например, надеялся создать новую физику, целиком основанную на понятии энергии и свободную от ограничений. Он считал, что все явления можно объяснить с помощью представлений о преобразовании энергии, а атомы и другие объекты следует рассматривать исключительно как проявление наличия энергии.

Это направление мысли получило впоследствии развитие во взглядах некоторых физиков начала XX в, сформулировавших концепцию «энергетизма».

Современная физика до некоторой степени подтверждает взгляды Кельвина.

Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Это свойство природы смогли отличить от свойства сохранения энергии Кельвин и Клаузиус. Оно состоит в том, что, хотя полное количество энергии должно сохранятся в любом процессе, распределение имеющейся энергии изменяется необратимо в одном направлении (причем это не зависит от общего количества энергии) снижается.

Больцман придал термодинамике статистическую форму. Внутренне присущий термодинамике математический характер часто отпугивает от нее.

Однако термодинамика настолько важна, а следствие второго начала столь фундаментальны и всеобъемлющи, что усилия преодолеть математические трудности вполне оправданы. В статье мы не пытаемся преодолеть эти трудности. Наша задача показать различие в понятиях «энергия» и «эксэргия». Для понимания различий сущности этих понятий воспользуемся первым и вторым законами термодинамики, а также порассуждаем о том, как понимается понятие «энергия» с позиции физика- теоретика и инженера практика.

Наиболее общим законом в отношении всех возможных энергетических превращений является принцип сохранения энергии, иначе говоря, первый закон термодинамики. В процессе энергетических исследований большое место занимают энергетические балансы технических объектов. Энергобаланс необходим для того, чтобы произвести анализ различного рода энергетических потерь в установке, с целью разработки мероприятий по устранению этих потерь и повышения эффективности исследуемой установки, а значит, экономии материальных, денежных и человеческих ресурсов. Такой метод исследования процессов и установок общеизвестен; на его основе разработана система оценочных коэффициентов. Однако, при всей бесспорной значимости такого исследования, по его поводу давно высказываются критические замечания. Их сущность сводится к тому, что энергобаланс, составленный на базе только первого закона термодинамики, не включает в себя важных качественных показателей энергетических превращений, выявляемых в результате привлечения второго закона термодинамики [1].

В последние десятилетия опубликованы множество работ, посвященных созданию нового, более совершенного, метода основанного как на первом, так и на втором законах термодинамики. При обосновании нового метода возникла необходимость в переоценке некоторых установившихся понятий и во введении новых [2].

Рассмотрим, например, общеизвестное и казалось бы, недвусмысленное понятие энергии тела. При внимательном сопоставлении определения энергии, приводимой в курсе физики, и смысла, содержащегося в понятии для инженера-практика, не обнаруживается тождественности этих двух трактовок. С точки зрения физика, - энергия, как научная категория служит средством количественной оценки различных форм движения материи: механической, тепловой, химической, ядерной, электромагнитной. Именно принцип сохранения (неуничтожаемости) обуславливает существенный признак энергии в трактовке физика. Для инженера-практика основным признаком понятия энергия является ее оценка как способности производить работу. А способность производить работу является свойством, выходящим из сферы принципа сохранения и неуничтожаемости.

Когда речь идет о кинетической энергии тела или об его энергии положения, а также об электрической или механической энергии, физическое и практическое понятия энергии совпадают. Но трактовки понятия энергии физиком и практиком существенно расходятся в отношении термической энергии. Например, во-первых, изолированная термодинамическая система, состоящая из двух тел с различными температурами, способна произвести работу. По мнению инженера, такая система, является источником энергии. Но, если, в результате внутреннего теплообмена температура двух тел выравнивается, то после этого термодинамического необратимого процесса система уже неработоспособна и источником энергии быть не может. По определению физика, суммарная энергия тел системы в процессе внутреннего теплообмена остается без изменения.

Инженер борется с потерями энергии, возникающими вследствие необратимости термодинамических процессов, понимая их безвозвратность, и что с потерями связано уничтожение, исчезновение располагаемой энергии, потеря работоспособности, энергетическое обесценивание. Поэтому такое убеждение инженера в принципе не согласуется с трактовкой физика, утверждающего принцип неуничтожаемости энергии. Следовательно, одному и тому же термину «энергия» придается различное содержание. Этот факт можно рассматривать как пример несоответствия теории с практикой.

Во-вторых, для инженера сжатый воздух является источником энергии, если даже его температура равна температуре окружающей среды. По мнению физика, энергия газа (воздух это газ), является функцией лишь температуры; при заданной температуре внутренняя энергия и энтальпия такого газа не зависит от давления. По суждению физика, при изотермическом расширении воздуха с температурой, равной температуре окружающей среды, работа выполняется за счет тепла, взятого из окружающей среды, поскольку энергия воздуха в ходе процесса остается неизменной.

Практическое понятие энергии отличается от физического. Это впервые было замечено более ста лет назад. Чтобы отличать практическое понимание понятия энергия от теоретического были предложены термины: «техническая работоспособность», «пригодность», а в последнее время предложен термин «эксергия», который стал общепринятым.

Эксергией системы называется способность данной системы производить работу в условиях определенного термодинамического состояния окружающей среды. Понятие «энергия» с первым законом, а понятие «эксергия» связано с сущностью второго закона термодинамики.

По второму закону, возможность тех или иных энергетических превращений обусловлена присущей природе тенденцией самопроизвольного перехода системы от неравновесного состояния к равновесному. Если система в каком-либо отношении не равновесна с окружающей средой, то такая система может быть причиной энергопревращений, поскольку такая система обладает не только энергий, но и эксергией.

Эксергия системы может возрастать лишь за счет эксергии других систем, за счет того, что в других системах происходит переход от неравновесного состояния к равновесному и эксергия системы убывает за счет передачи ее (потока тепла или работы) другим системам, а также в результате необратимости. При необратимости происходит безвозвратная потеря эксергии. Превращение энергии тела может не соответствовать приращению эксергии. Возможно даже, когда сообщение энергии телу приводит к уменьшению его эксергии, так происходит, если в исходном состоянии температура тела ниже температуры окружающей среды.

На основе понятия эксергия разработаны методики исследования технологических процессов и агрегатов. Эти методики получили всеобщее признание и применяются во всех промышленно развитых странах. Само понятие «эксергия» узаконено и признано базисным понятием физики.

Понятие эксергии относится к совокупности «система плюс среда». Но при заданном состоянии окружающей среды эксергия термодинамической системы является функцией состояния данной системы.

В учебниках и статьях приводятся выводы и обоснования формулы для эксергии системы. Здесь можно сказать, что величина эксергии определяется на один килограмм вещества системы величиной изменения энтальпии за вычетом величины изменения энтропии, умноженной на абсолютную температуру окружающей среды.

Эксергия системы может рассматриваться в виде двух компонентов: энтальпийного и энтропийного. Энтальпийная часть не вызывает сомнения, поскольку она выражает убыль количества энергии системы в процессе обратимого ее перехода от заданного состояния, к состоянию термодинамического равновесия с окружающей средой.

При объяснении физической сущности эксергии особый интерес представляет анализ ее энтропийной части. Она может быть как положительной так и отрицательной. В случае, когда энтальпийная часть эксергии отрицательна, ее энтропийный компонент обязательно положителен и по своей величине он будет непременно большим, чем величина энтальпийной части.

Для раскрытия физической сущности компонента энтропийной части напомним, что согласно второму закону термодинамики, большая энтропия является признаком большей «неупорядоченности» энергии системы, или, иначе говоря, большей статистической вероятности термодинамического состояния системы.

Таким образом, для анализа реальных термодинамических систем понятие «Эксергия» и эксергетические балансы технологических процессов и установок имеют значительно большее практическое значение по сравнению с энергетическими блансами, так как эксергия отражает качественную характеристику энергии [3].

ЛИТЕРАТУРА

  1. Я.Шаргут, З.Петела. «Эксергия» М.: Изд. «Энергия», 1968. 293 с.
  2. Озолинч И.Х., Тажбеков Н.И. «Энергетический баланс предприятии цветной металлургии» КазССР. Алма-Ата: 1985. 106 с.
  3. Эксергетические расчеты технических систем /Под ред. А.А.Долинского, В.М.Бродянского. Киев:«Наука думка», 1991. 359 с.

 

Год: 2011
Город: Алматы
loading...