ЭКСЕРГИЯ

ЭКСЕРГИЯ
Для определения максимальной
работоспособности термодинамической
системы необходимо ответить на вопросы:
{
{
{
Когда возможно получить работу от
термодинамической системы?
Какие процессы необходимы для получения
максимальной работы?
Сколько работы можно получить от
термодинамической системы?
Работа L > 0
{
может быть получена только от
термодинамической системы, которая не
находится в равновесии с телами
окружающей среды, т.е.
p = p0, T = T0
(p0, T0 - параметры окружающей среды)
Условия получения работы
{
{
{
Состояние окружающей среды практически
неизменно или не зависит от человека
это существенно упрощает задачу получения
работы
необходимо найти источник теплоты, у которого
температура, давление или другие параметры
отличались бы от параметров окружающей
среды
Условие получения максимальной работы
все процессы, которые приводят
термодинамическую систему к параметрам
окружающей среды, должны быть
обратимыми:
{
{
dqтрения = 0
или dT = 0 (при теплообмене)
Эксергия
максимальная работоспособность
термодинамической системы
{
часть энергии системы, которая может быть
превращена в энергию организованных форм
(механическую работу):
Ex = Lmax при p = p0,
T = T0
Работоспособность термодинамической
системы равна нулю
{
Если она имеет параметры окружающей среды
Виды эксергии
{
{
{
эксергия неподвижного тела
эксергия теплоты
эксергия потока вещества
ЭКСЕРГИЯ НЕПОДВИЖНОГО ТЕЛА
{
технические задачи, связанные с
расширением сжатых газов и паров из ёмкости
постоянного объёма (баллона)
Общий случай: параметры газа в баллоне
отличаются от параметров окружающей среды
характеристики термодинамической системы
закрытого типа:
{
p, T, U, S - давление, температура, внутренняя
энергия и энтропия газа или пара в баллоне
{
p0, T0, U0, S0 - параметры окружающей среды
Процесс расширения сжатого газа и паров из
ёмкости постоянного объёма
Аналитические выражения первого и
второго законов термодинамики
{
δQ = dU + L
{
δQ = T(S – S0)
Составляющие работы L :
{
эксергия тела Lmax
{
работа, необходимая для вытеснения газа из
баллона в окружающую среду
Lсреды = p0(V0 – V)
Выражение для эксергии неподвижного тела
Ex = Lmax = U0 – U – T0(S0 – S) – p0(V0 – V)
эксергия для закрытых систем в основном
зависит от параметров p и T газа в баллоне
ЭКСЕРГИЯ ТЕПЛОТЫ
ИСТОЧНИК ТЕПЛОТЫ ПОСТОЯННОЙ
ТЕМПЕРАТУРЫ
Термодинамическая система в общем случае
состоит из
{ теплоотдатчика
{ рабочего тела, совершающего круговой процесс
{ теплоприёмника (окружающая среда)
{
Мера преобразования теплоты q
теплоотдатчика - термический КПД прямого
обратимого цикла Карно
эксергия источника теплоты q
равна работе цикла Карно
ex = q – T0(s – s0)
Эксергия теплоты равна максимальной работе
обратимого цикла Карно
ИСТОЧНИК ТЕПЛОТЫ ПЕРЕМЕННОЙ
ТЕМПЕРАТУРЫ
Для бесконечно малого количества теплоты
дифференциал эксергии определяется через
ηt цикла Карно:
эксергия
или
ex = q – T0(s1 – s0)
q зависит от термодинамического процесса
ТЕОРЕМА ГЮИ-СТОДОЛА
"Действительная полезная внешняя работа
меньше максимальной на положительную
величину, равную произведению температуры
окружающей среды T0 на приращение
энтропии термодинамической системы при
протекании в ней необратимых процессов"
ТЕОРЕМА ГЮИ-СТОДОЛА
позволяет оценить потери, вызванные
внутренней и внешней необратимостями
Док-во:
рассмотрим передачу теплоты от горячего
источника к холодному (внешняя
необратимость при наличии разности
температур)
Допустим, что потери при теплообмене между
теплоотдатчиком T1 и теплоприемником T2
отсутствуют
q1 = q2
Потеря эксергии при необратимом
теплообмене
Эксергия теплоты источников Т1 и Т2
exT1 = q1 – T0(s1 – s0)
exT2 = q2 – T0(s2 – s0)
При q1 = q2 (отсутствуют потери в окружающую среду при теплообмене)
{
потеря эксергии при необратимом теплообмене
Δex = exT1 – exT2 = T0(s2 – s1) = T0Δsсист
{
Δsсист - увеличение энтропии термодинамической
системы в результате теплообмена при конечной
разности температур
потеря эксергии при необратимом теплообмене