Egzergia - Exergy

W termodynamiki The egzergia z systemu jest maksymalne użyteczne pracy możliwe podczas procesu , który doprowadza się do układu równowagi z zasobnika ciepła , osiągając maksymalną entropii . Kiedy otoczenie jest rezerwuarem, egzergia jest potencjałem systemu do wywołania zmiany, gdy osiąga on równowagę z otoczeniem. Egzergia to energia, którą można wykorzystać. Gdy system i otoczenie osiągną równowagę, egzergia wynosi zero. Wyznaczenie egzergii było również pierwszym celem termodynamiki . Termin „egzergia” został ukuty w 1956 r. przez Zorana Ranta (1904-1972), używając greckiego ex i ergon oznaczającego „z pracy ”, ale koncepcja została wcześniej opracowana przez J Willarda Gibbsa w 1873 r. ( Swobodna energia Gibbsa ).

Energia nie jest ani tworzona, ani niszczona podczas procesu. Energia zmienia się z jednej formy w drugą ( patrz Pierwsze Prawo Termodynamiki ). W przeciwieństwie do tego, egzergia jest zawsze niszczona, gdy proces jest nieodwracalny , na przykład utrata ciepła do środowiska ( patrz Druga Zasada Termodynamiki ). To zniszczenie jest proporcjonalne do wzrostu entropii układu wraz z jego otoczeniem ( patrz Produkcja entropii ). Zniszczoną egzergię nazwano anergią. Dla procesu izentropowego egzergia i energia są terminami zamiennymi i nie ma tu anergii.

Definicje

Egzergia jest kombinacją właściwości systemu i jego środowiska, ponieważ zależy od stanu zarówno systemu, jak i środowiska. Egzergia układu w równowadze z otoczeniem wynosi zero. Egzergia nie jest ani termodynamiczną właściwością materii, ani termodynamicznym potencjałem układu. Zarówno egzergia, jak i energia mają jednostki dżuli . Energia wewnętrzna systemu jest zawsze mierzona od ustalonego stanu odniesienia i dlatego jest zawsze funkcją stanu . Niektórzy autorzy definiują egzergię systemu, która ma być zmieniona, gdy zmienia się środowisko, w którym to przypadku nie jest to funkcja stanu. Inni autorzy preferują nieco alternatywną definicję dostępnej energii lub egzergii systemu, w którym środowisko jest ściśle określone, jako niezmienny absolutny stan odniesienia, iw tej alternatywnej definicji egzergia staje się własnością samego stanu systemu.

Jednak z teoretycznego punktu widzenia egzergię można definiować bez odniesienia do jakiegokolwiek środowiska. Jeżeli właściwości intensywne różnych skończenie rozbudowanych elementów systemu różnią się, zawsze istnieje możliwość wyciągnięcia z systemu pracy mechanicznej.

Termin egzergia jest również używany, przez analogię do jego fizycznej definicji, w teorii informacji związanej z obliczeniami odwracalnymi . Egzergia jest synonimem: dostępnej energii , exergic energii , essergy (Rozpatrywane archaicznej) użytecznej energii , dostępnego użytecznej pracy , maksymalnej (lub minimalnej) działają , maksymalnej (lub minimalnej) Zawartość pracy , odwracalnego pracy i idealnej pracy .

Zniszczenie egzergii w cyklu jest sumą niszczenia egzergii procesów składających się na ten cykl. Zniszczenie egzergii w cyklu można również określić bez śledzenia poszczególnych procesów, traktując cały cykl jako pojedynczy proces i używając jednego z równań niszczenia egzergii.

Silnik cieplny

W przypadku silnika cieplnego egzergię można po prostu zdefiniować jako pomnożenie energii pomnożonej przez sprawność Carnota . Ponieważ wiele systemów można modelować jako silnik cieplny, definicja ta może być przydatna w wielu zastosowaniach.

Opis matematyczny

Zastosowanie drugiej zasady termodynamiki

Exergy wykorzystuje granice systemu w sposób, który jest dla wielu nieznany. Wyobrażamy sobie obecność silnika Carnota między systemem a jego środowiskiem odniesienia, mimo że ten silnik nie istnieje w świecie rzeczywistym. Jego jedynym celem jest pomiar wyników scenariusza „co by było, gdyby” w celu przedstawienia najbardziej wydajnej możliwej interakcji między systemem a jego otoczeniem.

Jeśli wybrane zostanie środowisko odniesienia w świecie rzeczywistym, które zachowuje się jak nieograniczony zbiornik, który pozostaje niezmieniony przez system, to spekulacje Carnota dotyczące konsekwencji systemu zmierzającego w kierunku równowagi z czasem są przedmiotem dwóch równoważnych twierdzeń matematycznych. Niech B , egzergia lub dostępna praca zmniejszy się z czasem, a S _total , entropia układu i jego środowisko odniesienia zamknięte razem w większym izolowanym układzie , wzrośnie z czasem:

${\ Displaystyle {\ Frac {\ operatorname {d} B}{\ operatorname {d} t}} \ leq 0 {\ mbox {jest równoważny}}}{\ Frac {\ operatorname {d} S_ {\ tekst {ogółem }}}{\mathrm {d} t}}\geq 0}$

( 1 )

Dla układów makroskopowych (powyżej granicy termodynamicznej ) oba te stwierdzenia są wyrażeniami drugiej zasady termodynamiki, jeśli dla egzergii stosuje się następujące wyrażenie:

${\ Displaystyle B = U + P_ {R} V-T_ {R} S-\ suma _ {i} \ mu _ {i, R} N_ {i}}$

( 2 )

gdzie ekstensywne wielkości dla układu to: U = Energia wewnętrzna , V = Objętość , oraz N _i = Mole składnika i

Do intensywnie ilości do otoczenia są: P _R = ciśnienia , t _R = temperatura , μ _{I, R} = potencjał chemiczny składnika I

Poszczególne terminy również często mają przypisane nazwy: nazywa się „dostępną pracą PV”, nazywa się „stratą entropiczną” lub „stratą ciepła”, a ostateczny termin nazywa się „dostępną energią chemiczną”. ${\ Displaystyle P_ {R} V}$${\ Displaystyle T_ {R} S}$

Inne potencjały termodynamiczne mogą być wykorzystane do zastąpienia energii wewnętrznej, o ile z należytą starannością rozpoznaje się, które zmienne naturalne odpowiadają jakiemu potencjałowi. Zalecaną nomenklaturę tych potencjałów można znaleźć w (Alberty, 2001). Równanie ( 2 ) jest przydatne w procesach, w których zmienia się objętość układu, entropia i liczba moli różnych składników, ponieważ energia wewnętrzna jest również funkcją tych zmiennych, a nie innych.

Alternatywna definicja energii wewnętrznej nie oddziela dostępnego potencjału chemicznego od U . Wyrażenie to jest przydatne (po podstawieniu do równania ( 1 )) dla procesów, w których zmienia się objętość i entropia układu, ale nie zachodzi reakcja chemiczna:

${\ Displaystyle B = U [\ mu _ {1}, \ mu _ {2}, \ ldots, \ mu _ {n}] + P_ {R} V-T_ {R} S = U [{\ pogrubiony symbol { \mu }}]+P_{R}V-T_{R}S}$

( 3 )

W takim przypadku dany zestaw substancji chemicznych o danej entropii i objętości będzie miał jedną wartość liczbową dla tego potencjału termodynamicznego. System wielostanowy może skomplikować lub uprościć problem, ponieważ reguła fazowa Gibbsa przewiduje, że intensywne ilości nie będą już całkowicie niezależne od siebie.

Styczna historyczna i kulturowa

W 1848 roku William Thomson, pierwszy baron Kelvin , zadał (i natychmiast odpowiedział) na to pytanie

Czy istnieje jakaś zasada, na której można oprzeć absolutną skalę termometryczną? Wydaje mi się, że teoria Carnota dotycząca siły napędowej ciepła pozwala nam udzielić odpowiedzi twierdzącej.

Korzystając z perspektywy czasu zawartej w równaniu ( 3 ), jesteśmy w stanie zrozumieć historyczny wpływ idei Kelvina na fizykę. Kelvin zasugerował, że najlepsza skala temperatury opisuje stałą zdolność jednostki temperatury w otoczeniu do zmiany dostępnej pracy silnika Carnota. Z równania ( 3 ):

${\ Displaystyle {\ Frac {\ operatorname {d} B}{\ operatorname {d} T_ {R}}} = - S}$

( 4 )

Rudolf Clausius rozpoznał obecność stałej proporcjonalności w analizie Kelvina i nadał jej w 1865 roku nazwę entropia z języka greckiego oznaczającego „transformację”, ponieważ opisuje ona ilość energii traconej podczas przemiany ciepła w pracę. Dostępna praca silnika Carnota osiąga maksimum, gdy otoczenie ma temperaturę zera absolutnego .

Fizycy wtedy, tak jak i teraz, często z pewnym niepokojem patrzą na nieruchomość ze słowem „dostępna” lub „użyteczna”. Idea tego, co jest dostępne, rodzi pytanie „dostępne do czego”? i budzi obawy, czy taka własność jest antropocentryczna . Prawa wyprowadzone przy użyciu takiej własności mogą nie opisywać wszechświata, lecz opisywać to, co ludzie chcą widzieć.

Dziedzina mechaniki statystycznej (począwszy od prac Ludwiga Boltzmanna nad opracowaniem równania Boltzmanna ) uwolniła wielu fizyków od tej troski. Z tej dyscypliny wiemy teraz, że wszystkie właściwości makroskopowe można określić na podstawie właściwości w skali mikroskopowej, gdzie entropia jest bardziej „rzeczywista” niż sama temperatura ( patrz Temperatura termodynamiczna ). Mikroskopijne fluktuacje kinetyczne między cząstkami powodują utratę entropii, a ta energia jest niedostępna do pracy, ponieważ fluktuacje te występują losowo we wszystkich kierunkach. Do aktu antropocentrycznego dochodzi, w oczach niektórych dzisiejszych fizyków i inżynierów, kiedy ktoś nakreśla hipotetyczną granicę, w rzeczywistości mówi: „To jest mój system. To, co dzieje się poza nim, to otoczenie”. W tym kontekście egzergia jest czasami określana jako właściwość antropocentryczna, zarówno przez tych, którzy jej używają, jak i tych, którzy jej nie używają. Entropia jest postrzegana jako bardziej podstawowa właściwość materii.

Potencjał w każdej sytuacji termodynamicznej

Oprócz i , do określania egzergii często stosuje się inne potencjały termodynamiczne . Dla danego zestawu substancji chemicznych przy danej entropii i ciśnieniu, entalpia H jest używana w wyrażeniu: ${\ Displaystyle U}$${\ Displaystyle U [{\ pogrubienie {\ mu}}]}$

${\ Displaystyle B = H-T_ {R} S}$

( 5 )

Dla danego zestawu substancji chemicznych w danej temperaturze i objętości energia swobodna Helmholtza A jest używana w wyrażeniu:

${\ Displaystyle B = A + P_ {R} V}$

( 6 )

Dla danego zestawu substancji chemicznych w danej temperaturze i ciśnieniu, energia swobodna Gibbsa G jest używana w wyrażeniu:

${\displaystyle B=G}$

( 7 )

Potencjały A i G są wykorzystywane do procesu o stałej temperaturze. W takich przypadkach cała energia jest wolna do wykonania użytecznej pracy, ponieważ nie ma strat entropii. Reakcja chemiczna, która generuje elektryczność bez powiązanej zmiany temperatury, również nie spowoduje strat entropii. ( Patrz Ogniwo paliwowe ) . Dotyczy to każdego procesu izotermicznego. Przykładami są grawitacyjnej energii potencjalnej , energię kinetyczną (w skali makroskopowej), energię słoneczną , energię elektryczną , i wiele innych. Jeśli ma miejsce tarcie , absorpcja , opór elektryczny lub podobna przemiana energii, która uwalnia ciepło, należy wziąć pod uwagę wpływ tego ciepła na potencjały termodynamiczne i to właśnie ten wpływ zmniejsza dostępną energię.

Egzergia chemiczna

Podobnie jak egzergia termomechaniczna, egzergia chemiczna zależy od temperatury i ciśnienia w układzie oraz od składu. Kluczowa różnica w ocenie egzergii chemicznej w porównaniu z egzergią termomechaniczną polega na tym, że egzergia termomechaniczna nie uwzględnia różnicy w składzie chemicznym systemu i środowiska. Jeśli temperatura, ciśnienie lub skład systemu różni się od stanu środowiska, wtedy cały system będzie miał egzergię.

Definicja egzergii chemicznej przypomina standardową definicję egzergii termomechanicznej, ale z kilkoma różnicami. Egzergia chemiczna jest definiowana jako maksymalna praca, jaką można uzyskać, gdy rozpatrywany układ wchodzi w reakcję z substancjami odniesienia obecnymi w środowisku. Zdefiniowanie środowiska odniesienia egzergii jest jedną z najważniejszych części analizy egzergii chemicznej. Ogólnie rzecz biorąc, środowisko definiuje się jako skład powietrza o temperaturze 25°C i ciśnieniu 1 atm. W tych właściwościach powietrze składa się z N ₂ = 75,67%, O ₂ = 20,35%, H ₂ O(g) = 3,12%, CO ₂ = 0,03% i innych gazów = 0,83%. Te ułamki molowe staną się przydatne przy zastosowaniu równania 8 poniżej.

C _a H _b O _c jest substancją, która wchodzi do układu, dla którego chcemy znaleźć maksymalną pracę teoretyczną. Korzystając z poniższych równań można obliczyć egzergię chemiczną substancji w danym układzie. Poniżej równanie 8 wykorzystuje funkcję Gibbsa odpowiedniego pierwiastka lub związku do obliczenia egzergii chemicznej. Równanie 9 jest podobne, ale wykorzystuje standardową molową egzergię chemiczną, którą naukowcy określili na podstawie kilku kryteriów, w tym temperatury otoczenia i ciśnienia, w których analizowany jest system oraz stężenia najczęściej występujących składników. Wartości te można znaleźć w książkach termodynamicznych lub w tabelach internetowych.

Ważne równania

${\ Displaystyle {\ bar {e}} ^ {ch} = \ lewo [{\ bar {g}} _ {\ operatorname {F}} + \ lewo (a + {\ Frac {b} {4}} - { \frac {c}{2}}\right){\bar {g}}_{\mathrm {O_{2}} }-a{\bar {g}}_{\mathrm {CO_{2}} } -\,{\frac {b}{2}}{\bar {g}}_{\mathrm {H_{2}O} (g)}\right]\,\left(T_{0,}p_{ 0}\right)+{\bar {R}}T_{0}\,ln\left[{\frac {{{(y}_{\mathrm {O_{2}} }^{e})}^ {a+{\frac {b}{4}}-\,{\frac {c}{2}}}}{\left(y_{\mathrm {CO_{2}} }^{e}\right)^ {a}\left(y_{\mathrm {H_{2}O} }^{e}\right)^{\frac {b}{2}}}\right]}$

( 8 )

gdzie:

${\ Displaystyle {\ bar {g}} _ {x}}$jest funkcją Gibbsa określonej substancji w układzie w . ( odnosi się do substancji, która jest wprowadzana do systemu) ${\ Displaystyle \ po lewej (T_ {0}, p_ {0} \ po prawej)}$${\ Displaystyle {\ bar {g}} _ {F}}$

${\displaystyle {\bar {R}}}$ jest uniwersalną stałą gazową (8,314462 J/mol•K)

${\displaystyle T_{0}}$ to temperatura, w której system jest oceniany w temperaturze bezwzględnej

${\ Displaystyle y_ {x} ^ {e}}$ to ułamek molowy danej substancji w środowisku tj. powietrzu

${\ Displaystyle {\ bar {e}} ^ {ch} = \ lewo [{\ bar {g}} _ {\ operatorname {F}} + \ lewo (a + {\ Frac {b} {4}} - { \frac {c}{2}}\right){\bar {g}}_{\mathrm {O_{2}} }-a{\bar {g}}_{\mathrm {CO_{2}} } -\,{\frac {b}{2}}{\bar {g}}_{\mathrm {H_{2}O} (g)}\right]\,\left(T_{0,}p_{ 0}\right)+a{\bar {e}}_{\mathrm {CO_{2}} }^{ch}+\,\left({\frac {b}{2}}\right){\ bar {e}}_{\mathrm {H_{2}O} (l)}^{ch}-\,\left(a+\,{\frac {b}{4}}\right){\bar { e}}_{\mathrm {O_{2}} }^{ch}}$

( 9 )

gdzie:

${\ Displaystyle {\ bar {e}} _ {x} ^ {ch}}$ jest standardową molową egzergią chemiczną zaczerpniętą z tabeli dla konkretnych warunków, w których oceniany jest system

Równanie 9 jest częściej używane ze względu na prostotę polegającą na tym, że wystarczy sprawdzić standardową egzergię chemiczną dla danych substancji. Korzystanie ze standardowego stołu sprawdza się w większości przypadków, nawet jeśli warunki środowiskowe nieznacznie się różnią, różnica jest najprawdopodobniej nieistotna.

Egzergia całkowita

Po znalezieniu egzergii chemicznej w danym układzie można znaleźć egzergię całkowitą, dodając ją do egzergii termomechanicznej. W zależności od sytuacji ilość dodanej egzergii chemicznej może być bardzo mała. Jeśli oceniany system obejmuje spalanie, ilość egzergii chemicznej jest bardzo duża i konieczna do znalezienia całkowitej egzergii systemu.

Nieodwracalność

Nieodwracalność odpowiada za ilość zniszczonej egzergii w systemie zamkniętym, czyli inaczej zmarnowany potencjał pracy. Nazywa się to również rozproszoną energią. W przypadku systemów wysokowydajnych wartość I jest niska i na odwrót. Równanie do obliczenia nieodwracalności układu zamkniętego w odniesieniu do egzergii tego układu wygląda następująco:

${\displaystyle I=T_{0}s_{\text{gen}}}$

( 10 )

gdzie: jest entropią generowaną przez procesy systemowe. ${\displaystyle s_{\text{gen}}}$

Jeśli wtedy w systemie występują nieodwracalne zmiany. Jeśli wtedy w systemie nie ma nieodwracalności. ${\ Displaystyle I> 0}$${\ Displaystyle I = 0}$

Wartość I , nieodwracalność, nie może być ujemna, ponieważ nie jest własnością. Wręcz przeciwnie, dostępność to inna historia, która jest właściwością systemu.

Analiza egzergii opiera się na relacji pomiędzy pracą rzeczywistą a pracą maksymalną, jaką można uzyskać w procesie odwracalnym:

${\displaystyle w_{\tekst{akt}}=w_{\tekst{maks}}-ja}$

( 11 )

Pierwszy termin po prawej stronie jest związany z różnicą egzergii na wlocie i wylocie układu:

${\ Displaystyle w_ {\ tekst {max}} = \ Delta B = B_ {\ tekst {w}}-B_ {\ tekst {na zewnątrz}}}$

( 12 )

Dla systemu izolowanego:

Nie występują interakcje ciepła ani pracy z otoczeniem, a zatem nie ma transferów dostępności między systemem a jego otoczeniem. Zmiana egzergii wyizolowanego systemu jest równoważna, ale przeciwna do wartości nieodwracalności tego systemu.

${\ Displaystyle \ Delta B = -I}$

( 13 )

Aplikacje

Zastosowanie równania ( 1 ) do podsystemu daje:

${\ Displaystyle {\ mbox {jeśli}} ~ {\ Frac {\ operatorname {d} B}{\ operatorname {d} t}} {\ zacząć {przypadki}> 0 i {\ Frac {\ operatorname {d} B}{\mathrm {d} t}}={\mbox{ maksymalna moc generowana}}\\<0,&{\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} t}}={\ mbox{ minimalna wymagana moc}}\end{cases}}}$

( 14 )

Wyrażenie to odnosi się równie dobrze do teoretycznych ideałów w szerokim zakresie zastosowań: elektroliza (spadek G ), ogniwa galwaniczne i ogniwa paliwowe (wzrost G ), materiały wybuchowe (wzrost A ), ogrzewanie i chłodzenie (wymiana H ), silniki (spadek w U ) i generatory (wzrost w U ).

Wykorzystanie koncepcji egzergii często wymaga starannego rozważenia wyboru środowiska odniesienia, ponieważ, jak wiedział Carnot, w rzeczywistym świecie nie istnieją nieograniczone zbiorniki. System może być utrzymywany w stałej temperaturze, aby symulować nieograniczony zbiornik w laboratorium lub w fabryce, ale systemy te nie mogą być wtedy odizolowane od większego otaczającego środowiska. Jednak przy odpowiednim doborze granic systemu można sobie wyobrazić rozsądny stały rezerwuar. Czasami proces musi być porównany do „najbardziej realistycznej niemożliwości”, a to zawsze wiąże się z pewną dozą domysłów.

Aplikacje inżynierskie

Zastosowanie egzergii do operacji jednostkowych w zakładach chemicznych przyczyniło się częściowo do ogromnego rozwoju przemysłu chemicznego w XX wieku. W tym czasie nazywano to zwykle dyspozycyjnością lub dyspozycyjnością .

Jako prosty przykład egzergii, powietrze w warunkach atmosferycznych temperatury, ciśnienia i składu zawiera energię, ale nie zawiera egzergii, gdy jest wybrane jako termodynamiczny stan odniesienia znany jako otoczenie . Poszczególne procesy na Ziemi, takie jak spalanie w elektrowni, często ostatecznie skutkują produktami, które są włączane do atmosfery, więc zdefiniowanie tego stanu odniesienia dla egzergii jest przydatne, nawet jeśli sama atmosfera nie jest w równowadze i jest pełna długo- i krótkoterminowych zmian .

Jeżeli do obliczeń w trakcie eksploatacji zakładu chemicznego, gdy rzeczywista pogoda jest bardzo zimna lub gorąca, stosuje się standardowe warunki otoczenia, wówczas niektóre części zakładu chemicznego mogą wydawać się mieć sprawność egzergii większą niż 100% i bez uwzględnienia niestandardowych wahania temperatury atmosferycznej mogą sprawiać wrażenie perpetum mobile. Użycie rzeczywistych warunków da rzeczywiste wartości, ale standardowe warunki otoczenia są przydatne do wstępnych obliczeń projektowych.

Jednym z celów metod energetycznych i egzergii w inżynierii jest obliczenie, co wchodzi i wychodzi z kilku możliwych projektów przed zbudowaniem fabryki. Energia wejściowa i wyjściowa zawsze będą równoważone zgodnie z Pierwszą Zasadą Termodynamiki lub zasadą zachowania energii. Wyjście egzergii nie zrównoważy wejścia egzergii dla rzeczywistych procesów, ponieważ część wejścia egzergii jest zawsze niszczona zgodnie z Drugą Zasadą Termodynamiki dla rzeczywistych procesów. Po zakończeniu wprowadzania i wyprowadzania danych inżynier często będzie chciał wybrać najbardziej wydajny proces. Efektywności energetycznej lub pierwszy sprawność prawo określi najbardziej wydajny na podstawie tracić jak najmniej energii możliwym względem nakładów energetycznych. Sprawność egzergetyczna lub sprawność drugiego ustawa określi najbardziej efektywny proces oparty na wyniszczenie i niszcząc tak mało dostępnej pracy, jak to możliwe z danego wejścia dostępnego pracy.

Zastosowania w wykorzystaniu zasobów naturalnych

W ostatnich dziesięcioleciach wykorzystanie egzergii wyszło poza fizykę i inżynierię na dziedziny ekologii przemysłowej , ekonomii ekologicznej , ekologii systemów i energetyki . Określenie, gdzie kończy się jedno pole, a zaczyna drugie, jest kwestią semantyki, ale zastosowania egzergii można umieścić w sztywnych kategoriach.

Naukowcy zajmujący się ekonomią ekologiczną i rachunkowością środowiskową przeprowadzają analizy egzergiczno-kosztowe w celu oceny wpływu działalności człowieka na obecne środowisko naturalne . Podobnie jak w przypadku powietrza, co często wymaga nierealne zmiany właściwości ze środowiska naturalnego w miejsce stanu odniesienia środowisku o Carnota. Na przykład ekolodzy i inni opracowali warunki odniesienia dla oceanu i skorupy ziemskiej . Wartości egzergii dla działalności człowieka wykorzystujące te informacje mogą być przydatne do porównywania alternatyw politycznych opartych na efektywności wykorzystania zasobów naturalnych do wykonywania pracy. Typowe pytania, na które można odpowiedzieć, to:

Czy ludzka produkcja jednej jednostki dobra ekonomicznego metodą A wykorzystuje więcej egzergii zasobu niż metodą B ?

Czy ludzka produkcja dobra ekonomicznego A zużywa więcej egzergii zasobu niż produkcja dobra B ?

Czy ludzka produkcja dobra ekonomicznego A wykorzystuje egzergię zasobu wydajniej niż produkcja dobra B ?

Odnotowano pewien postęp w standaryzacji i stosowaniu tych metod.

Pomiar egzergii wymaga oceny środowiska stanu odniesienia systemu. W odniesieniu do zastosowań egzergii w wykorzystaniu zasobów naturalnych, proces kwantyfikacji systemu wymaga przypisania wartości (zarówno wykorzystanej, jak i potencjału) zasobom, które nie zawsze dają się łatwo podzielić na typowe koszty i korzyści. Jednak, aby w pełni wykorzystać potencjał systemu do pracy, coraz bardziej konieczne staje się zrozumienie potencjału egzergetycznego zasobów naturalnych oraz tego, jak ingerencja człowieka zmienia ten potencjał.

Odwoływanie się do przyrodzonych cech systemu w miejsce środowiska stanu odniesienia jest najbardziej bezpośrednim sposobem, w jaki ekolodzy określają egzergię zasobu naturalnego. W szczególności najłatwiej jest zbadać właściwości termodynamiczne układu oraz substancje odniesienia, które są dopuszczalne w środowisku odniesienia. Ustalenie to pozwala na założenie cech w stanie naturalnym: odchylenie od tych poziomów może wskazywać na zmianę środowiska spowodowaną źródłami zewnętrznymi. Istnieją trzy rodzaje substancji odniesienia, które są dopuszczalne ze względu na ich rozprzestrzenianie się na planecie: gazy w atmosferze , ciała stałe w skorupie ziemskiej oraz cząsteczki lub jony w wodzie morskiej. Dzięki zrozumieniu tych podstawowych modeli możliwe jest określenie egzergii wielu wzajemnie oddziałujących systemów ziemskich, takich jak wpływ promieniowania słonecznego na życie roślin. Te podstawowe kategorie są wykorzystywane jako główne składniki środowiska odniesienia podczas badania, w jaki sposób można zdefiniować egzergię za pomocą zasobów naturalnych.

Inne cechy w środowisku stanu odniesienia obejmują temperaturę, ciśnienie i dowolną liczbę kombinacji substancji w określonym obszarze. Ponownie, egzergia systemu jest determinowana przez potencjał tego systemu do pracy, więc konieczne jest określenie podstawowych cech systemu, zanim będzie można zrozumieć potencjał tego systemu. Wartość termodynamiczną zasobu można określić mnożąc egzergię zasobu przez koszt pozyskania zasobu i jego przetworzenia.

Obecnie coraz popularniejsze staje się analizowanie wpływu wykorzystania zasobów naturalnych na środowisko, w szczególności zużycia energii. Aby zrozumieć konsekwencje tych praktyk, egzergia jest wykorzystywana jako narzędzie do określania potencjalnego wpływu emisji , paliw i innych źródeł energii. Na przykład spalanie paliw kopalnych jest badane pod kątem oceny wpływu spalania węgla , ropy naftowej i gazu ziemnego na środowisko . Obecne metody analizy emisji z tych trzech produktów można porównać z procesem określania egzergii dotkniętych systemów; w szczególności przydatne jest zbadanie ich w odniesieniu do środowiska stanu odniesienia gazów w atmosferze . W ten sposób łatwiej jest określić, w jaki sposób działanie człowieka wpływa na środowisko naturalne.

Zastosowania w zrównoważonym rozwoju

W ekologii systemów naukowcy czasami rozważają egzergię obecnego tworzenia zasobów naturalnych z niewielkiej liczby wejść egzergii (zwykle promieniowanie słoneczne , siły pływowe i ciepło geotermalne ). Ta aplikacja wymaga nie tylko założeń dotyczących stanów odniesienia, ale także założeń dotyczących rzeczywistych środowisk z przeszłości, które mogły być zbliżone do tych stanów odniesienia. Czy możemy zdecydować, która jest najbardziej „realistyczną niemożliwością” w tak długim okresie czasu, kiedy tylko spekulujemy o rzeczywistości?

Na przykład porównanie egzergii olejowej z egzergią węglową przy użyciu wspólnego stanu odniesienia wymagałoby danych wejściowych egzergii geotermalnej, aby opisać przejście od materiału biologicznego do paliw kopalnych w ciągu milionów lat w skorupie ziemskiej, oraz danych wejściowych egzergii promieniowania słonecznego, aby opisać historię materiału przed tym okresem. kiedy była częścią biosfery. Musiałoby to zostać przeprowadzone matematycznie wstecz w czasie, do domniemanej epoki, w której można by założyć, że ropa i węgiel otrzymują ten sam wkład egzergii z tych źródeł. Spekulacja na temat przeszłego środowiska różni się od przypisywania stanu odniesienia w odniesieniu do znanych dziś środowisk. Można poczynić rozsądne domysły na temat prawdziwych starożytnych środowisk, ale są to domysły nie do przetestowania, dlatego niektórzy uważają tę aplikację za pseudonaukę lub pseudoinżynierię.

Pole opisuje tę nagromadzoną w czasie egzergię w zasobie naturalnym jako ucieleśnioną energię z jednostkami „ucieleśnionego dżula” lub „emdżula”.

Ważnym zastosowaniem tego badania jest uwzględnienie kwestii zrównoważonego rozwoju w sposób ilościowy poprzez pomiar zrównoważonego rozwoju :

Czy ludzka produkcja dobra ekonomicznego wyczerpuje egzergię naturalnych zasobów Ziemi szybciej niż te zasoby są w stanie przyjąć egzergię?

Jeśli tak, to jak wypada to w porównaniu z wyczerpywaniem się spowodowanym produkcją tego samego dobra (lub innego) przy użyciu innego zestawu zasobów naturalnych?

Przypisanie jednej termodynamicznie uzyskanej wartości do dobra gospodarczego

Technika proponowana przez ekologów systemowych polega na konsolidacji trzech egzergii opisanych w ostatniej sekcji w pojedynczym wejściu egzergii promieniowania słonecznego i wyrażaniu całkowitego wkładu egzergii w dobro ekonomiczne jako dżul lub sej ucieleśniony w słońcu . ( Patrz Emergia ) Egzergetyczne dane wejściowe z sił słonecznych, pływowych i geotermalnych, wszystkie w jednym czasie, miały swoje początki na początku Układu Słonecznego w warunkach, które można było wybrać jako początkowy stan odniesienia, a inne spekulacyjne stany odniesienia można było teoretycznie prześledzić do tamtych czasów. Za pomocą tego narzędzia bylibyśmy w stanie odpowiedzieć:

Jaka część całkowitego wyczerpania ludzkiej egzergii na Ziemi jest spowodowana produkcją określonego dobra ekonomicznego?

Jaka część całkowitego wyczerpania ludzkiej i nieludzkiej egzergii Ziemi jest spowodowana produkcją określonego dobra ekonomicznego?

Dla tego pomysłu nie są wymagane żadne dodatkowe prawa termodynamiczne, a zasady energetyki mogą mylić wiele kwestii dla osób spoza tej dziedziny. Połączenie niesprawdzalnych hipotez, nieznanego żargonu, który jest sprzeczny z przyjętym żargonem, intensywne poparcie wśród jego zwolenników i pewien stopień izolacji od innych dyscyplin przyczyniły się do tego, że ta protonauka jest uważana przez wielu za pseudonaukę . Jednak jego podstawowe założenia są tylko dalszym wykorzystaniem koncepcji egzergii.

Implikacje w rozwoju złożonych systemów fizycznych

Powszechną hipotezą w ekologii systemów jest to, że obserwacja inżyniera projektu, że do stworzenia procesu o zwiększonej wydajności egzergii potrzebna jest większa inwestycja kapitałowa, jest w rzeczywistości ekonomicznym rezultatem fundamentalnego prawa natury. Zgodnie z tym poglądem egzergia jest odpowiednikiem waluty ekonomicznej w świecie przyrody. Analogią do inwestycji kapitałowych jest akumulacja egzergii w systemie przez długi czas, co skutkuje ucieleśnieniem energii . Analogią inwestycji kapitałowych, w wyniku której powstaje fabryka o wysokiej wydajności egzergii, jest wzrost naturalnych struktur organizacyjnych o wysokiej wydajności egzergii. ( Patrz Moc maksymalna ). Naukowcy zajmujący się tymi dziedzinami opisują ewolucję biologiczną w kategoriach wzrostu złożoności organizmu ze względu na wymóg zwiększonej wydajności egzergii ze względu na rywalizację o ograniczone źródła egzergii.

Niektórzy biolodzy mają podobną hipotezę. System biologiczny (lub zakład chemiczny) z wieloma przedziałami pośrednimi i reakcjami pośrednimi jest bardziej wydajny, ponieważ proces jest podzielony na wiele małych podetapów, a to jest bliższe odwracalnemu ideałowi nieskończonej liczby nieskończenie małych podetapów. Oczywiście zbyt duża liczba przedziałów pośrednich wiąże się z kosztem kapitałowym, który może być zbyt wysoki.

Testowanie tego pomysłu w żywych organizmach lub ekosystemach jest niemożliwe z praktycznego punktu widzenia ze względu na duże skale czasowe i niewielkie nakłady egzergii, które powodują zmiany. Jeśli jednak ta idea jest słuszna, nie będzie to nowe podstawowe prawo natury. Byłyby to po prostu żywe systemy i ekosystemy maksymalizujące swoją wydajność egzergii dzięki wykorzystaniu praw termodynamiki opracowanych w XIX wieku.

Implikacje filozoficzne i kosmologiczne

Niektórzy zwolennicy wykorzystania koncepcji egzergii opisują je jako biocentryczną lub ekocentryczną alternatywę dla terminów takich jak jakość i wartość . Ruch „ głębokiej ekologii ” postrzega ekonomiczne użycie tych terminów jako antropocentryczną filozofię, którą należy odrzucić. Możliwa uniwersalna termodynamiczna koncepcja wartości lub użyteczności przemawia do osób zainteresowanych monizmem .

Dla niektórych końcowym rezultatem tego sposobu myślenia o śledzeniu egzergii w głęboką przeszłość jest ponowne przedstawienie kosmologicznego argumentu, że wszechświat był kiedyś w równowadze, a wkład egzergii z jakiejś Pierwszej Przyczyny stworzył wszechświat pełen dostępnej pracy. Obecna nauka nie jest w stanie opisać pierwszych ^10–43 sekund wszechświata ( patrz oś czasu Wielkiego Wybuchu ). Dla takiego zdarzenia nie da się zdefiniować zewnętrznego stanu odniesienia i (niezależnie od jego zalet) taki argument można lepiej wyrazić w kategoriach entropii .

Jakość rodzajów energii

Stosunek egzergii do energii w substancji można uznać za miarę jakości energii . Formy energii, takie jak makroskopowa energia kinetyczna, energia elektryczna i chemiczna energia swobodna Gibbsa, są w 100% odzyskiwalne jako praca, a zatem mają egzergię równą ich energii. Jednak formy energii, takie jak promieniowanie i energia cieplna, nie mogą być całkowicie przekształcone w pracę i mają zawartość egzergii mniejszą niż ich zawartość energetyczna. Dokładna proporcja egzergii w substancji zależy od wielkości entropii w stosunku do otaczającego środowiska, jak określa druga zasada termodynamiki .

Egzergia jest przydatna przy pomiarze wydajności procesu konwersji energii. Efektywność egzergetyczna, czyli drugie prawo, jest stosunkiem wyjścia egzergii do wejścia egzergii. Sformułowanie to uwzględnia jakość energii, często oferując dokładniejszą i użyteczną analizę niż oszacowanie wydajności tylko przy użyciu Pierwszej Zasady Termodynamiki .

Pracę można wydobyć także z ciał zimniejszych od otoczenia. Kiedy przepływ energii wpływa do ciała, praca jest wykonywana przez energię pozyskiwaną z dużego zbiornika, otoczenia. Ilościowe traktowanie pojęcia jakości energii opiera się na definicji energii. Zgodnie ze standardową definicją Energia jest miarą zdolności do wykonywania pracy. Praca może obejmować ruch masy siłą wynikającą z przemiany energii. Jeśli zachodzi przemiana energii, druga zasada przemian przepływu energii mówi, że proces ten musi obejmować rozproszenie pewnej ilości energii w postaci ciepła. Pomiar ilości uwolnionego ciepła jest jednym ze sposobów ilościowego określenia energii lub zdolności do wykonania pracy i przyłożenia siły na odległość.

Egzergia ciepła dostępna w temperaturze

Maksymalna możliwa konwersja ciepła na pracę, czyli zawartość egzergii ciepła, zależy od temperatury, w której ciepło jest dostępne oraz od poziomu temperatury, przy której można odprowadzić ciepło odpadowe, czyli od temperatury otoczenia. Górna granica konwersji znana jest jako sprawność Carnota i została odkryta przez Nicolasa Léonarda Sadi Carnota w 1824 roku. Zobacz także silnik cieplny Carnota .

Sprawność Carnota jest

${\ Displaystyle \ eta =1-{\ Frac {T_ {C}} {T_ {H}}}}$

( 15 )

gdzie T _H jest wyższą temperaturą, a T _C jest niższą temperaturą, zarówno jako temperatura bezwzględna . Z równania 15 jasno wynika, że ​​w celu maksymalizacji wydajności należy maksymalizować T _H i minimalizować T _C .

Wymieniana egzergia to wtedy:

${\ Displaystyle B = Q \ lewo (1-{\ Frac {T_ {o}} {T_ {\ tekst {źródło}}}} \ po prawej)}$

( 16 )

gdzie T _źródło jest temperatura źródła ciepła i T _O jest temperatura otoczenia.

Wyższa zawartość egzergii oznacza zwykle wyższe ceny energii. Tutaj porównano koszty ogrzewania (oś pionowa) z zawartością egzergii różnych nośników energii (oś pozioma) w Finlandii. Uwzględnione nośniki energii to ciepłownictwo (D), gruntowa pompa ciepła (G), pompa ciepła powietrze wywiewane (A), bioenergia, czyli drewno opałowe (B), olej opałowy (O) i bezpośrednie ogrzewanie elektryczne (E). Czerwone kropki i linia trendu wskazują ceny energii dla konsumentów, niebieskie kropki i linia trendu wskazują łączną cenę dla konsumentów, w tym nakłady inwestycyjne na system grzewczy.

Połączenie z wartością ekonomiczną

Egzergia w pewnym sensie może być rozumiana jako miara wartości energii. Ponieważ nośniki energii o wysokiej egzergii mogą być wykorzystywane do bardziej wszechstronnych celów, ze względu na ich zdolność do wykonywania większej ilości pracy, można postulować, że mają większą wartość ekonomiczną. Widać to w cenach nośników energii, tj. nośniki energii o wysokiej egzergii, takie jak energia elektryczna, bywają bardziej wartościowe niż nośniki o niskiej egzergii, takie jak różne paliwa czy ciepło. Doprowadziło to do zastąpienia w miarę możliwości bardziej wartościowych nośników energii o wysokiej egzergii nośnikami energii o niskiej egzergii. Przykładem są systemy grzewcze, gdzie wyższa inwestycja w systemy grzewcze pozwala na wykorzystanie źródeł energii o niskiej egzergii. W ten sposób treść o wysokiej egzergii jest zastępowana inwestycjami kapitałowymi.

Ocena cyklu życia na podstawie egzergii (LCA)

Egzergia układu to maksymalna praca użyteczna możliwa podczas procesu, który doprowadza układ do stanu równowagi z zasobnikiem ciepła. Wall wyraźnie określa związek między analizą egzergii a księgowaniem zasobów. Ta intuicja potwierdzona przez Dewulfa Sciubbę prowadzi do rachunkowości egzergo-ekonomicznej i metod specjalnie dedykowanych do LCA, takich jak egzergetyczny wkład materiału na jednostkę usługi (EMIPS). Pojęcie wkładu materiałowego na jednostkę usługi (MIPS) jest kwantyfikowane w kategoriach drugiej zasady termodynamiki, co pozwala na obliczenie zarówno wkładu zasobów, jak i wydajności usługi w kategoriach egzergii. Ten egzergetyczny wkład materiałowy na jednostkę usługi (EMIPS) został opracowany dla technologii transportu. Usługa uwzględnia nie tylko całkowitą masę do przewiezienia i całkowitą odległość, ale także masę na pojedynczy transport i czas dostawy. Możliwość zastosowania metodologii EMIPS odnosi się konkretnie do systemu transportowego i umożliwia skuteczne powiązanie z oceną cyklu życia . Analiza egzergii przeprowadzona według EMIPS umożliwiła zdefiniowanie precyzyjnej strategii ograniczania wpływu transportu na środowisko w kierunku bardziej zrównoważonego transportu . Taka strategia wymaga zmniejszenia masy pojazdów, zrównoważonego stylu jazdy, zmniejszenia tarcia opon, zachęcania do korzystania z pojazdów elektrycznych i hybrydowych, poprawy warunków ruchu pieszego i rowerowego w miastach oraz zwiększenia roli transportu publicznego, zwłaszcza kolei elektrycznej .

Historia

Carnot

W 1824 Sadi Carnot przestudiował ulepszenia opracowane dla silników parowych przez Jamesa Watta i innych. Carnot wykorzystał czysto teoretyczną perspektywę dla tych silników i opracował nowe pomysły. On napisał:

Często pojawiało się pytanie, czy siła napędowa ciepła jest nieograniczona, czy możliwe ulepszenia w silnikach parowych mają wyznaczoną granicę – granicę, przez którą natura rzeczy nie pozwoli jej przekroczyć w jakikolwiek sposób... Aby aby w najogólniejszy sposób rozważyć zasadę wytwarzania ruchu przez ciepło, należy ją rozpatrywać niezależnie od jakiegokolwiek mechanizmu lub konkretnego czynnika. Niezbędne jest ustalenie zasad mających zastosowanie nie tylko do maszyn parowych, ale do wszystkich wyobrażalnych maszyn cieplnych... Wytwarzaniu ruchu w maszynach parowych zawsze towarzyszy okoliczność, na którą powinniśmy skupić naszą uwagę. Ta okoliczność jest przywróceniem równowagi… Wyobraź sobie dwa ciała A i B, utrzymywane każde w stałej temperaturze, przy czym temperatura A jest wyższa niż temperatura B. Te dwa ciała, którym możemy dać lub z których możemy usunąć ciepła, nie powodując zmiany ich temperatury, pełnią funkcje dwóch nieograniczonych zbiorników...

Carnot następnie opisał to, co obecnie nazywa się silnikiem Carnota i udowodnił w eksperymencie myślowym, że każdy silnik cieplny działający lepiej niż ten silnik byłby maszyną perpetuum mobile . Nawet w latach dwudziestych XIX wieku nauka zabraniała stosowania takich urządzeń przez długą historię. Według Carnota: „Takie stworzenie jest całkowicie sprzeczne z obecnie akceptowanymi ideami, z prawami mechaniki i fizyki dźwięku . Jest niedopuszczalne”.

Ten opis górnej granicy pracy, jaką może wykonać silnik, był najwcześniejszym współczesnym sformułowaniem drugiej zasady termodynamiki . Ponieważ nie zawiera matematyki, nadal często służy jako punkt wyjścia dla nowoczesnego zrozumienia zarówno drugiego prawa, jak i entropii . Skupienie się Carnota na silnikach cieplnych , równowadze i zbiornikach ciepła jest również najlepszym punktem wyjścia do zrozumienia ściśle powiązanej koncepcji egzergii.

Carnot wierzył w błędną kaloryczną teorię ciepła, która była popularna w jego czasach, ale jego eksperyment myślowy opisywał fundamentalną granicę natury. Ponieważ teoria kinetyczna zastąpiła teorię kaloryczną na początku i w połowie XIX wieku ( patrz Kalendarium termodynamiki ), kilku naukowców dodało matematyczną precyzję do pierwszego i drugiego prawa termodynamiki i rozwinęło koncepcję entropii . Skupienie się Carnota na procesach w skali ludzkiej (powyżej granicy termodynamicznej ) doprowadziło do powstania najbardziej uniwersalnych koncepcji w fizyce . Entropia i drugie prawo są dziś stosowane w dziedzinach od mechaniki kwantowej po kosmologię fizyczną .

Gibbs

W latach 70. XIX wieku Josiah Willard Gibbs zjednoczył dużą ilość XIX-wiecznej termochemii w jedną zwartą teorię. Teoria Gibbsa włączyła nową koncepcję potencjału chemicznego powodującego zmianę w oddaleniu od równowagi chemicznej do starszej pracy rozpoczętej przez Carnota, opisującej równowagę termiczną i mechaniczną oraz ich potencjały zmian. Unifikująca teoria Gibbsa zaowocowała funkcjami stanu potencjału termodynamicznego, opisującymi różnice od równowagi termodynamicznej .

W 1873 Gibbs wyprowadził matematykę „dostępnej energii ciała i ośrodka” do postaci, jaką ma ona dzisiaj. (Patrz równania powyżej ). Fizyka opisująca egzergię niewiele się zmieniła od tego czasu.

Zobacz też

• Produkcja entropii
• Energia: światowe zasoby i konsumpcja
• Emergia

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

• Bastianoni, E.; Facchini, A.; Susani, L.; Tiezzi (2007). „Emergia jako funkcja egzergii”. Energia . 32 (7): 1158-1162. doi : 10.1016/j.energy.2006.08.09 .
• Stephen Jay Kline (1999). Niskie na entropii i termodynamiki interpretacyjnej , La Canada, Kalifornia: DCW Industries. ISBN  1928729010 .

Zewnętrzne linki

• Energia, włączenie egzergii, czasopismo międzynarodowe
• Bibliografia z adnotacjami egzergii/dostępności
• Egzergia – użyteczna koncepcja Görana Wall
• Podręcznik egzergetyki do samodzielnej nauki autorstwa Görana Wall
• Egzergia Isidoro Martinez
• Kalkulator egzergii autorstwa The Exergoecology Portal
• Globalny wykres zasobów egzergii
• Przewodnik po IEA ECBCS Załącznik 37, Systemy o niskiej egzergii do ogrzewania i chłodzenia budynków
• Wprowadzenie do koncepcji egzergii