6 Эксергия и эксергетический баланс процесса

6.1 Эксергия, энергия Гиббса и полезность

Каждая химико-технологическая система несет энергетические потери. Это верно для процессов, в ходе которых энергия выделяется, точно так же, как и для процессов, в ходе которых энергия поглощается. Задача заключается в том, чтобы понять природу потерь и применить правильный подход для их уменьшения.

Исследуем процесс с установившимися потоками, в ходе которого теплота передается окружающей среде со скоростью и рассмотрим поток, изначально находящийся при некоторых условияхии потребляемый энергию со скоростью, чтобы достичь состояния с параметрамиР и Т (рис.24). Макроскопическими изменениями кинетической и/или потенциальной энергии потока будем пренебрегать.

Рисунок 24 - Обмен работой (энергией) и теплотой с окружающей средой при изменении параметров потока от ,доР и Т.

Для исследуемого потока, используя первый и второй законы термодинамики, можно записать:

	(1)
	(2)

где

	(3)
	(4)

– скорость изменения энтропии окружающей среды,

Минимально необходимое количество энергии, для изменения состояния потока (от ,доР и Т), будет равно:

(5)

или даже

(6)

Вводя (вместо), будем полагать, что теплота, передаваемая в окружающую среду, потенциально не должна исчезать с целью достижения истинного минимума величины. Минимальная скорость поступления энергии связана с наименьшей отдачей теплоты, так как величиназафиксирована выбором определенной скорости потока вещества и термодинамическими условиями начального и конечного состояний. Используя соотношение:

(7)

и объединяя уравнения (2) и (6) находим:

(8)

Истинный минимум будет, конечно, требовать отсутствия в процессе движущих сил:

(9)

Следовательно, наименьшее количество энергии, необходимое для перевода системы к требуемым условиям, будет равно:

(10)

Если работу привести кединице массы, получим выражение:

(11)

где Ех – эксергия.

Эксергия, таким образом, – это работа, которую единица массы потока может совершить, если она обратимо приводится к условиям окружающей среды.

Уравнение (11) может быть записано в виде:

(12)

Иногда разность называют полезностью,, что исходит из названия «полезная работа». Однако, эксергия и полезность не одно и то же. Из уравнения (12) следует, что эксергия равна:

(13)

В соответствии с определением эксергия при ибудет равна нулю, но это не означает, чтотакже равно нулю, поскольку

(14)

т.е. полезность в условиях окружающей среды представляет собой энергию Гиббса при этих условиях.

Если эксергия при нулевых параметрах окружающей среды равна нулю, то функция (14) точно неопределима, так как содержит в себе энтальпию Н и, следовательно, внутреннюю энергию U как функцию неизвестной абсолютной величины. В термодинамике нулевой уровень часто выбирают произвольно. Так, в случае воды температура плавления является нулевой точкой для энтальпии жидкой воды.

За исключением нулевых начальных условий ,, выражение для полезности при условияхР и Т можно записать в виде:

(15)

что не будет ошибочным и для энергии Гиббса при условиях Р и Т.