ГлавнаяЭнергия служит для количественной оценки различных форм движения материи: механической, тепловой, химической, электрической, ядерной и др. Это именно и подчеркивается принципом сохранения энергии. С другой стороны, основным признаком понятия энергии должна быть. Оценка способности производить работу. А способность производить работу является свойством, выходящим из сферы закона сохранения энергии или из I закона термодинамики. Это можно показать на примере.
Рассмотрим изолированную систему, в которой находятся два тела с температурами T1 и T2. При этом T1 > T2. Пока тела обмениваются друг с другом теплотой, работа совершается. Ho, наступает момент, когда T1 = T2. Работа системой не выполняется, в то же время, с точки зрения физики, количество энергии в системе осталось тем же.
Сущность недостатков использования I закона термодинамики к анализу тепловых процессов сводится к тому, что энергобаланс не включает качественных характеристик энергопревращений, выявляемых только с привлечением второго закона термодинамики. Так, при оценке использования теплоты необходимо анализировать условия, при которых происходит ее передача, находить источники и причины возникновения потерь, т.е. определить «качество» энергии, с которым непосредственно связано понятие «энергосбережение».
II закон термодинамики известен в двух основных формулировках. Первая - теплота сама по себе не может передаваться в сторону более высокой температуры и вторая - теплота не может полностью превращаться в работу. Из этих формулировок вытекает техническое значение второго закона термодинамики. Его суть - в анализе тех или иных энергопревращений системы, обусловленных тенденцией самопроизвольного перехода ее от неравновесного состояния к равновесному, на качество и экономичность технических процессов,
Из сущности II закона термодинамики вытекает понятие эксергии или как его иногда называют «максимальной работоспособности» энергии термодинамической системы. Термин «эксергия» был введен Я. Шаргутом и стал общепринятым, заменив понятие «работоспособность». Эксергией системы называется способность ее производить работу в условиях определенного термического состояния с окружающей средой. Понятие эксергии относится к совокупности «система + среда». При заданном состоянии окружающей среды эксергия термодинамической системы является функцией состояния этой системы.
Математически эксергия записывается в виде
где h и S - энтальпия и энтропия вещества, кДж/кг и кДж/(кг*К);
T0 - температура окружающей среды, К.
е - удельная эксергия вещества, кДж/кг.
Индекс «0» означает состояние вещества в равновесии с окружающей средой.
Физический смысл эксергии можно установить исходя их следующего.
Запишем I закон термодинамики при P = const
и разделим слагаемые его на T0.
Отсюда
Подставим (2.3) в (2.1) и получим
Эксергия представляет теплоту, эквивалентную работе, получаемой от потока рабочего тела при обратимом изменении его состояния в заданных условиях. Т.е., это мера превратимости энергии в высшие формы (электрическую, механическую), то есть мера качества, технической ценности, работоспособности энергии.
Эксергия термодинамической системы в данном состоянии измеряется количеством механической, электрической энергии, которое может быть получено от системы в результате её обратимого перехода из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергия является универсальной характеристикой качества энергии, независимо от их вида, предполагаемого направления использования. Так, эксергия теплоты однозначно связана с ее потенциалом: чем выше температура горячего потока, тем выше его эксергия.
В процессе использования в зданиях и инженерных системах входящие в них потоки энергии более высоких форм (электрическая, механическая, химическая) частично или полностью переходят в низшую форму - тепловую, которая по мере использования приближается к параметрам окружающей среды, теряет работоспособность и выводится из системы.
Высшие формы энергии - электрическая, механическая - не характеризуются энтропией и теоретически полностью превратимы в любые другие формы энергии.
Ограниченная превратимость химической и тепловой энергии в высшие формы (работоспособность) обусловлена вторым законом термодинамики. Часть энергии этих видов «связана» энтропией и не может быть преобразована в высшие формы.
Эксергия делится на два вида: первый относится к формам энергии, не характеризуемым энтропией (где q = e), второй - к характеризуемым энтропией (для которых е > q). К первым принадлежит механическая, электрическая и другие виды энергии. Здесь эксергия равна энергии системы и специальный расчет эксергии не требуется. Ко вторым принадлежат по существу все те виды эксергии, каждый из которых вычисляется по индивидуальной методике, и нуждается в специальном рассмотрении.
Классификация видов эксергии представлена на рис. 2.2.
С помощью термодинамического анализа на основе эксергетического анализа выполняется оптимизация технических систем, как в целом, так и отдельных элементов, определяются режимы внутренних и внешних условий их работы.