ЧАСТИНА І. ВСТУП

РОЗДІЛ 1

ТЕРМОДИНАМІКА Й ЗАОЩАДЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ

Перший закон термодинаміки (Закон збереження енергії) стверджує, що в будь-якій ізольованій системі енергія¹ зберігається. Вчений-фізик Джоуль (дослід Джоуля) [4] зміг нагріти воду в ізольованій посудині перемішуванням, за допомогою електричного струму, охолодженням стисненого газу, а також використовуючи тертя і визначити при цьому кількісні характеристики. Отож він встановив, що енергія, яка виділяється гідравлічною, пневматичною, електричною й механічною системами, може перетворюватися в теплоту².

Якщо енергія не втрачається, то як її може бракувати? Насправді енергії не бракує - її завжди є удосталь, хоча лише мала частина її знаходиться у формі, придатній для використання. Будемо вважати Землю ізольованою системою, хоча вона такою не є тому, що поглинає енергію випромінювання Сонця і одночасно випромінює в космічний простір. Всі викопні палива, що зберігаються в Землі, у будь-який момент являють собою запас високопотенційної енергії, яку можливо виділити спалюванням. Якщо б всі викопні палива згоріли, то сумарна енергоємність Землі, розглянутої як ізольованої системи, не змінилася б, оскільки температура довкілля підвищилася б на величину, відповідну виділеній енергії викопних палив. Ми витратили б увесь запас високопотенційної енергії тільки на підвищення температури довкілля і, фактично не втративши енергії, стали б "енергетичними банкрутами".

Енергія на рівні довкілля практично не доступна для виконання роботи. У холодний зимовий день повітря при температурі ЗО°С придатне для використання, оскільки цим повітрям можливо обігрівати будинок. Але в теплий літній день енергія того ж повітря буде марнуватися тому, що воно перебуває в енергетичній рівновазі з довкіллям. Отже, цінність конкретної форми енергії визначається її рівнем (температурою) стосовно довкілля. Холодну воду при температурі 4°С можливо використати для охолодження, тоді як гарячу воду з температурою 50°С можливо використати для прання, але якщо їх змішати - суміш виявиться майже марною.

Отож, необхідно визначити термін "економія енергії" так, щоб він мав сенс для наших досліджень у цьому напрямку. Ми можемо прагнути до "економії палива" і така термінологія задовольнить більшість наших критеріїв. Але для кількісного опису досліджень, спрямованих на економію енергії, необхідний загальний критерій, який стосується всіх видів енергії - палива, електрики, пари, сонячного

Енергія ( з грец. ene'rgia - дія, діяльний) — загальна кількісна міра різних форм і руху матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного виду в інший (закон збереження енергії). Поняття енергії зв'язує всі явища природи в одне ціле.[5]

Теплота або кількість теплоти — енергетична характеристика процесу теплообміну, визначається кількістю енергії, яку одержує( віддає) тіло (фізична система) в процесі теплообміну. На відміну від внутрішньої енергії теплота - функція процесу : кількість переданої тілу теплоти залежить не тільки від того, які початкові та кінцеві стани тіла, але також і від виду процесу. [5]

випромінювання тощо. Цей загальний критерій можливо одержати з термодинаміки Застосовуючи другий закон термодинаміки, можливо оцінити корисність будь-якого виду й рівня енергії. Більше того, можливо визначити ефективність використання цієї енергії й знайти спосіб його поліпшення.

Хоча можливо кількісно описати процес перетворення роботи в теплоту зробити зворотне досить важко. Другий закон термодинаміки стверджує, що теплоту неможливо повністю перетворити в роботу в замкнутому циклі (тобто деякі кількість теплоти залишиться не перетвореною). Причина такого обмеження полягає в тому, що можливо досягти рівноваги тільки в результаті перетворення теплоти або маси від високого енергетичного рівня до низького. Ці співвідношення можна найкраще оцінити ввівши поняття ентропії³ й ексергії⁴.

1.1. Збереження ексергії

Енергію можливо використати у двох видах: у вигляді теплоти й роботи Робота⁵ є вищою формою енергії, оскільки її можливо повністю перетворити е теплоту, тоді як зворотне неможливо. Тільки частину теплової енергії, що міститься в рідині⁶, можливо перетворити в роботу в замкнутому круговому процесі, що залежить від наступних факторів:

а) початкового й кінцевого станів рідини;

б) термодинамічного к.к.д. процесу⁷.

Е нтропія (з грец. entropi'a - поворот, перетворення) - функція стану термодинамічної системи, міра внутрішньої невпорядкованості системи, зміна якої в рівноважному процесі дорівнює відношенню кількості теплоти переданої системі або відведеної від неї, до термодинамічної температури системи. Нерівноважні процеси в ізольованій системі супроводжуються ростом ентропії, вони наближають систему до стану рівноваги, при якому ентропія максимальна. [5]

⁴ Ексергія ( з грец. ек, ех — префікс, який означає високий рівень, і ergon — робота) — максимально можлива робота, яку може виконати термодинамічна система при переході із даного стану в стан рівноваги із навколишнім середовищем. Ексергією іноді називають працездатність системи. [4]

Робота - одна із форм обміну енергією термодинамічної системи (фізичного тіла) сусідніми; кількісна характеристика перетворення енергії в фізичних процесах, залежить від виду процесу. Робота системи позитивна, якщо вона віддає енергію і негативна якщо одержує. [5]

⁶ Рідина - будь-яке плинне робоче тіло і рідке, і газоподібне. Випадки, коли мова йтиме про крапельні рідини, буде розглядатися окремо. [7]

Скраплений газ (рос.ежиженньш природньш газ; англ. LNG (liquefied natural gas); нім. verfliissigtes Erdgas n) - природний вуглеводневий газ, який за нормальних температури й тиску навколишнього середовища перебуває в газоподібному стані, але за дуже низької температури переходить у рідинний стан, що полегшує його зберігання і перевезення. [6]

Крапельна рідина — один з агрегатних станів речовини. В гідравліці розрізняють два стани речовини: рідини та тверді тіла, рідини поділяють на два види — газоподібні рідини(гази) та крапельні рідини (просто рідини).

Крапельна рідина займає середнє положення між газом та твердим тілом. Крапельні рідини характеризуються великим опором стисненню та малим опором розтягуючим силам. До крапельних рідин відносять воду, бензин, ртуть и т. п. [8]

⁷ Термодинамічний к.к.д. (коефіцієнт корисної дії) - характеристика ефективності системи по відношенню до перетворення енергії; визначається як відношення корисної енергії (перетвореної в роботу) до сумарної кількості енергії переданої системі. [5]

Задана маса дуже гарячої рідини (наприклад, водяної пари) може виконати більш роботи, ніж холодна рідина, навіть якщо маса останньої така, що в ній утримується достатня кількість енергії стосовно енергії довкілля. Горючий газ можливо використати для приведення в дію турбіни або для обігріву приміщення; у той час повітря при 50°( може обігрівати приміщення, але його температура недостатня для роботи турбінв Отож, горючий газ не доцільно використовувати для обігріву приміщень, для цього вигідніше використовувати рідини, ексергія яких невелика, наприклад нагріту сонцем воду або відпрацьовану пару турбіни. Саме тому рідини з високою температурою або палива, продукти згоряння яких мають високу температуру, є ціннішими у порівнянні тими, які вибрані тільки за їх ентальпією. Мірою цінності таких речовин є ексергія, з; допомогою якої їх можливо порівняти із електричною чи механічною енергією, здатною безпосередньо перетворюватися в роботу.

Для ілюстрації терміну збереження ексергії розглянемо енергетичну уставу, ще працює на нафті й постачає місцевість електроенергією. Нехай житлові будинки на цій місцевості також обігріваються нафтою. За характером кругообігу рідини на робочому циклі енергоустави тільки близько 35% енергії палива можливо перетворити в електроенергію, решта розсіюється в довкілля та є втраченою. Якщо втрачену теплоту енергоустави можливо було б використати для обігріву житловго будинків, то це дозволило б заощадити еквівалентну кількість палива. Але, якщо і будинки обігрівали електрикою, виникла б значно гірша ситуація - енергоустави повинна була б витрачати приблизно втроє більше палива.

Використання палива тільки для обігріву призвело б до втрати утримуваної ним енергії, яка в робочому циклі енергоустави складає 35% енергоємності палива Використання ж електроенергії тільки для обігріву призвело б до втрати 100% утримуваної енергії. Електроенергію вигідніше використати для приведення в дію двигунів або живлення електроприладів. За оцінкою джерел енергії на основі ексергії можливо ефективніше їх застосовувати й зрештою заощадити енергію.

Процеси, в яких використовується або перетворюється енергія, також можна оцінити, виходячи з того, наскільки ефективно в них зберігається енергія. Всі процеси підвладні фізичним обмеженням, наприклад наявності тертя. Проте деякі процеси теоретично досить ефективні тоді як інші неефективні. Якщо фізичні обмеження можливо лише звести до мінімуму шляхом ретельного виготовлення вузлів системи тощо, то процеси, які не ефективні по своїй природі, можливо в деякій мірі уникнути. В дійсності більшість процесів роблять неефективними щоб з їх допомогою була можливість управління : наприклад гальма використовують для керування авто. Деяку частину таких втрат можна уникнути повністю, але в більшості лише зменшити. Але постановці задачі повинна передувати вивчення поняття термодинамічної неефективності.