Вопрос 5. Максимальная работа (работоспособность, эксергия) системы. Анергия.

Максимальная полезная работа системы может быть получена, если перевести тело в обратимом равновесном процессе из состояния, когда его давление и температура больше давления и температуры окружающей среды, в состояние равновесия с окружающей (то есть из состояния р₁р₀, Т₁Т₀ в состояние р₀, Т₀). Эта максимальная полезная работа называется так же работоспособностью системы или эксергией.

Различают эксергию неподвижного тела, эксергию потока вещества и эксергию теплоты.

Для неподвижного тела (например, при расширении сжатого газа или пара из емкости) эксергия выражается формулой

L_макс

где V_o, U_o, S_o – объем, внутренняя энергия и энтропия рабочего тела при параметрах окружающей среды р_о, Т_о;

V₁, U₁, S₁ - объем, внутренняя энергия и энтропия рабочего тела в т. 1 при р₁р₀, Т₁Т₀..

Эксергия потока вещества выражается формулой

L_макс= (L_тех)_макс

где I_o – энтальпия рабочего тела при параметрах окружающей среды р_о, Т_о;

I₁ - энтальпия рабочего тела в т. 1 при р₁р₀, Т₁Т₀.

Удельная эксергия потока равна

, Дж/кг.

Графически удельную эксергию потока можно показать в Т,s – координатах, если обратимо перевести рабочее тело из начального состояния с р₁р₀, Т₁Т₀ в состояние равновесия с окружающей средой р₀, Т₀ сначала изоэнтропным (адиабатным) расширением в процессе 1-2 до р₂, Т₀ и затем изотермическим расширением в процессе 2-0 до р₀, Т₀.

Эксергия теплоты.

Если в системе, состоящей из горячего источника теплоты с температурой Т₁, внешней среды с температурой Т_о и рабочего тела, горячий источник отдает количество теплоты Q₁, то максимальная работа, которая может быть получена от этой теплоты, равна работе прямого цикла Карно в интервале температур Т₁-Т_о. Эту работу называют также эксергией теплоты и она определяется формулой

L_макс .

v

Таким образом, в широком смысле под эксергией понимается энергия, которая при участии окружающей среды может быть преобразована в другую форму энергии (часть энергии, равная максимальной полезной работе, которую может совершить термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой - из Википедии). Эксергия зависит как от параметров рабочего тела, так и от параметров окружающей среды. Она не является функцией состояния рабочего тела, но может рассматриваться как функция состояния расширенной системы, состоящей из рабочего тела и окружающей среды.

Если в каком либо процессе конечные параметры отличаются от параметров окружающей среды, то изменение эксергии в этом процессе равно:

Из формулы видно, что если в реальном процессе 1-2 из-за необратимости энтропия рабочего тела увеличивается на S, то эксергия уменьшается на Т_оS.

Эти потери эксергии вследствие необратимости процесса определяются уравнением Гюи-Стодолы

П=ТоS

Рассмотрим расширение газа в турбине

Потери эксергии оцениваются эксергетическим КПД:

- для процесса

где Е₁ – подведенная эксергия;

- для неподвижных тепловых аппаратов

η_е = Е_вых / Е_вх

где Е_вых, Е_вх –эксергия на выходе из аппарата и на входе в аппарат соответственно;

- для тепловых двигателей

η_е = L_пол / (Е_вх - Е_вых)

где L_пол - полезная работа двигателя.

Использование понятия эксергии даёт возможность количественно определить влияние неравновесия, необратимости термодинамических процессов на эффективность преобразования энергии, то есть позволяет выделить ту часть энергии, которая не может быть использована из-за газодинамических явлений, трения, теплообмена.

Применение эксергии очень удобно и полезно для определения термодинамического совершенства любых тепловых аппаратов и их отдельных частей.

Анергия – это энергия, которая при участии заданной окружающей среды не может быть преобразована в эксергию.

Энергию любой системы можно рассматривать состоящей из эксергии (то есть технически пригодной, превратимой части энергии) и анергии (то есть технически непригодной, непревратимой части энергии).

Утверждение о том, что существуют эксергия и анергия, позволяет сформулировать ІІ закон термодинамики в следующем виде: все формы энергии состоят из эксергии и анергии, причем каждая из составляющих может быть равна 0, то есть:

Энергия = Эксергия + Анергия.

Во всех реальных необратимых процессах часть эксергии, равная потерям эксергии, превращается в анергию. Эксергия остается постоянной только в идеализированных, обратимых процессах.