8. Ексергія Поняття ексергії грунтується на двох основних законах термодинаміки. Існує декілька формулювань цих законів. Ми зупинимося на таких.

1. В будь-якій ізольованій системі загальна кількість енергії є постійною.

2. Неможливо побудувати машину, яка, виконуючи круговий процес, буде споживати тільки теплоту від джерела і перетворювати її в еквівалентну кількість роботи.

На основі І-го закону термодинаміки виконується аналіз теплових процесів з допомогою рівнянь енергетичного (теплового) балансу. Цей аналіз володіє тим суттєвим недоліком, що при ньому всі види енергії розглядаються без врахування їх якості, практичної придатності. Так, навколишнє середовище могло б віддати безмежно велику кількість теплоти, але її кількість, яка визначається практичною придатністю, дорівнює нулю.

Розглянемо декілька прикладів перетворення енергії з метою визначення наскільки повно одна форма енергії може бути перетворена в іншу.

Приклад 1.

При роботі електричного генератора механічна робота перетворюється в електричну енергію та частково в теплоту. Наприклад: на генератор подали 100 Дж енергії, втрати якої у формі теплоти становили 10 Дж. Значить h_ген = 0,9. Можна було б зробити так, щоб було отримано 95 Дж електричної роботи. Тоді втрати підведеної роботи становили б всього 5 Дж; h_ген = 0,95.

Немає ніяких законів, які б забороняли повне перетворення механічної роботи в електричну. Але з економічної точки зору таку машину створювати невигідно.

Приклад 2.

В тепловому двигуні можна перетворити в роботу тільки частину підведеної теплоти Q. Навіть при реалізації оборотного циклу Карно робота дорівнює

,

де Т–температура підведення теплоти Q; Т₀ - температура відведення теплоти Q.

Із цього рівняння витікає, що L< Q. В оборотному циклі коефіцієнт корисної дії теплового двигуна становить h_т.дв. = 0,3 ¸ 0,5.

Це означає, що менше ніж 50% підведеної теплової енергії в тепловому двигуні перетворюється в роботу. Це говорить про те, що теплова енергія є менш якісна, ніж механічна.

В дійсності h_т.дв. буде ще нижчим, бо реальний процес є необоротним.

Можна говорити також і про якість різних видів теплової енергії.

Приклад 3

Рис. 8.1. Схема випарного апарата

Відомо, що випарні апарати застосовуються для випаровування рідини із розчину (напр., р-н NaCl). Рідина випаровується і концентрація розчину зростає. Теплота у випарному апараті підводиться до розчину у вигляді первинної гріючої пари під тиском Р₁ = 5 атм при якому t₁ = 150 °С. Ця водяна пара конденсується і виходить у вигляді конденсату. Із розчину випаровується розчинник (вода) і утворюється вторинна насичена водяна пара під тиском Р₁ = 1 атм при якому температура пари t₂ = 100 °С.

Якщо скласти тепловий баланс випарного апарата, то кількість теплоти, яку віддає гріюча пара, буде дорівнювати кількості теплоти, яку отримує вторинна пара (розбавлений розчин в апарат подається при температурі кипіння). Якщо знехтувати втратами теплоти, то можна записати

Q_{г.п .}= Q_вт.п..

А також, кількість первинної пари дорівнює кількості вторинної.

Енергія первинної пари дорівнює енергії вторинної. В кількісному енергетичному розумінні ніяких змін не відбудеться – кількість енергії в них однакова, тепловмісти (ентальпії) первинної та вторинної пари також однакові. Але в якісному розумінні вони різні – первинну пару можна використати (наприклад, для руху турбіни) – високоякісна водяна пара; а вторинну можна використати хіба що для побутових потреб. Значить ця пара буде значно нижчої якості.

Таким чином, всі види енергії можна розділити на:

1) енергія, яку можна безмежно перетворювати в інші види (це електрична енергія, механічна робота);

2) енергія, яку обмежено можна перетворювати в інші види (це теплота, внутрішня енергія); такі форми енергії можна використовувати лише частково.

Але теплота та робота – це не енергія, хоча мають розмірність енергії, а тільки різні форми передачі енергії.

Кожну форму енергії можна показати у вигляді двох частин:

1. енергії, яка може безмежно перетворюватися в інші види енергії -ексергії;

2. енергії, яку не можна перетворювати – анергії.

Таким чином, ексергією називають максимальну роботу, яку може здійснити система при переході від даного стану до стану рівноваги з навколишнім середовищем (НС). Та частина енергії, яку неможливо перетворити (анергія) – це енергія навколишнього середовища. Наприклад, світовий океан має якийсь запас енергії, але виконати роботу не може.

Енергія підпорядкована закону збереження, але закону збереження ексергії не існує. У необоротних процесах ексергія перетворюється в анергію, тобто проходить безперервна втрата ексергії.