8

Лекция 5.

Теория Онзагера нашла хорошее экспериментальное подтверждение при описании перекрестных эффектов (в нашем случае их представляет коэффициент L_ при  ≠ ). Например, при наличии градиентов химического потенциала и температуры диффузионный поток определяется этими градиентами, а не только градиентом химического потенциала. Зависимость диффузионного потока от градиента температуры называют термодиффузией. Кроме того, градиент химического потенциала вызывает поток теплоты (диффузионный перенос тепла, причем L_NT = L_TN). Эмпирически это было получено в виде

J_N = – Dn – D_T , J_T = – _Nn –  ,  = kT ,

где k – постоянная Больцмана. Теория Онзагера позволяет установить связь между коэффициентом диффузии D , термодиффузии D_T и коэффициентом диффузионного переноса тепла _N . Для идеального газа эта зависимость выглядит так

_N = ²D_T/n + 3D/2 .

Встречаются также эффекты бародиффузии, явление Пельтье (выделение тепла при прохождении электрического тока через спай) и др. Работа термопары при определении температуры среды в определенной точке также основана на перекрестном эффекте (термоЭДС) – возникновение разности потенциалов на концах разомкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников, изготовленных из разных материалов, в случае, когда спаи поддерживаются при разных температурах.

Теория Онзагера оперирует с небольшими (линейными) отклонениями от состояния равновесия. При более глубоком (нелинейном) отклонении от равновесия возникает ряд специфических эффектов, связанных с образованием определенных диссипативных структур. Эти структуры, в частности, представляют огромный интерес для биологии. Их исследование находится на переднем крае биологической науки.

Эксергетический метод термодинамического анализа.

Понятие эксергии естественным образом вводится, когда интересующая нас система взаимодействует с окружающей средой (ОС). ОС по масштабам значительно превосходит систему и поэтому при взаимодействии с ней параметры ОС не меняются. Отсюда следует, что для оценки работоспособности потоков вещества или энергии важны не только параметры процессов внутри системы, но и их связь с ОС. Таким образом, термодинамические функции, используемые для проведения анализа в указанных условиях, могут только тогда определить работоспособность вещества или энергии в данных условиях ОС, когда они наряду с параметрами системы будут включать еще и параметры ОС. Рассматриваемая ТС + ОС вместе образуют изолированную систему. Можно утверждать, что для данной системы выполняются два положения. 1. Изолированная система способна к производству работы только в случае, когда она находится в неравновесном состоянии. 2. Для получения наибольшей возможной работы при переходе системы из неравновесного состояния в равновесное необходимо, чтобы все процессы, протекающие в системе, были полностью обратимы. Поэтому важной задачей является определение максимально возможной работы, которую может произвести система, т.е. определение работоспособности системы.

Рис. 1.

На рис. 1. проиллюстрировано превосходство работы при обратимом процессе изменения объема системы над работой при необратимом. Мера энергетических ресурсов системы, определяющая работоспособность вещества или энергии при обратимом термодинамическом взаимодействии с ОС, называется эксергией. Далее это понятие уточним и конкретизируем.

Виды энергии.

Все виды энергии можно разбить на две группы.

1. Виды энергии, которые способны полностью переходить в другие виды. Это механическая (кинетическая и потенциальная), электрическая, ядерная и др. Подвод (отвод) теплоты к рабочему телу никак не сказывается на энергиях 1-го вида. Преобразование этих видов энергий не зависит от параметров ОС.

2. Виды энергии, которые не могут быть полностью преобразованы в любой другой вид энергии. Это внутренняя энергия вещества, энергия химических связей. Изменение энергии этого вида связано с тепловыми воздействиями. Условия преобразований этих видов энергий зависит от параметров ОС. Чем меньше разность параметров ОС и рабочего тела, тем меньшая часть энергии может быть преобразована. В пределе P  0 (P – параметры) – преобразований нет.

Для того, чтобы сопоставлять эти виды энергий нужна единая мера, которой служит эксергия.

Понятие эксергии и окружающей среды.

Эксергия Е , Дж , Вт , Дж/кг – свойство термодинамической системы или потока энергии, определяемое количеством работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при обратимом его взаимодействии с ОС до установления полного равновесия.

Эксергия оценивает качество энергии – способность энергии быть превращенной в полезную работу.

Окружающая среда (ОС) – равновесная часть окружения термодинамической системы, параметры которой не меняются при энергетическом взаимодействии с ТС и компоненты которой находятся в полном равновесии: Е_ОС = 0 . Используем индекс «_ОС» , T_ОС и т. д. Для промышленных установок в качестве ОС принимают атмосферный воздух. Для устройств, погруженных в воду ОС – окружающая вода.

Следует учитывать, что для установок, работающих в контакте с наружным воздухом в течение длительного времени, например конвективных сушилок, эксергия будет меняться. Обычно за нулевой уровень для эксергии принимают t = 20^ C . Внешние объекты – источники и приемники энергии характеризуются тем, что в них хотя бы один параметр отличается от параметров ОС.