7.2 Химическая эксергия соединений

Значения стандартной химической эксергии элементов необходимы для расчете эксергии соединений. Проиллюстрируем это на примере метана и начнем с гипотетической реакции его образования при стандартных условиях:

(11)

Согласно уравнению (9) имеем:

(12)

Первое слагаемое правой части формулы (12) представляет собой стандартную энергию Гиббса образования метана, которая согласно табличным данным равна – 0,460 кДж/моль и, следовательно, . Обобщая, можно утверждать, что стандартная химическая эксергия вещества j рассчитывается по формуле:

(13)

Значения стандартной химической эксергии некоторых соединений даны в таблице 7.

Таблица 7 - Стандартные химические эксергии соединений

Вещество	Неформальное наименование	эксергия, кДж/моль
CH4(g)	«природный газ»	832
CH3OH(g)		722
CH3OH(l)		718
-CH2-a	«нефть»	652
(CH2O)b	«биомасса»	480
CO2(g)		20
SiO2(s, α кварц)		1,9
TiO2(s, рутил)		21,4
Al2O3.H2O(s)	«боксит» (алюминиевая руда)	200,8
Fe2O3(s)	«гематит» (красный железняк)	16,5
NH3(g)		337,9
CO(NH2)2(s)	мочевина	689,0

^а Сырая нефть на основе углерода ^b Биомасса (глюкоза) на основе углерода

g – газ, l – жидкость, s – твердое вещество

7.3 Энергия Гиббса образования и химическая эксергия

Рассмотрим, в чем заключаются принципиальные отличия стандартной энергии Гиббса образования и химической эксергии.

В химической термодинамике в качестве сравнительных компонентов выбираются элементы в их обычном состоянии при стандартных условиях. и принято, что эти элементы имеют нулевую стандартную энергию Гиббса образования. Стандартная энергия Гиббса образования соединения связана со стандартной энергией Гиббса образования элементов, из которых состоит вещество.

Так, например, стандартная энергия Гиббса образования жидкого метанола равна –166,270 кДж/моль, число, которое говорит не более чем то, что в реакции

(14)

стандартные энергии Гиббса в левой части уравнения равны нулю, и стандартная энергия Гиббса реакции также равна 166,270 кДж/моль. Однако, стандартную химическую эксергию метанола имеет значительно более емкий физический смысл. Она, согласно формуле, (13) равна: – 166,270 + 410,26 + 2·236,10+1/2·3,97 = 718,2 кДж/моль. Это число выражает максимальную работу, которую может совершить 1 моль жидкого метанола. Мы можем сравнить это значение с аналогичной величиной для метана и обратить внимание, что частичное окисление метана в метанол понижает значение эксергии с 832 кДж/моль до 718 кДж/моль. Однако метанол находится в жидком состоянии, а это полезное свойство при транспортировке топлива. С другой стороны, метанол имеет массу, вдвое превышающую массу метана, и значит полезная работа, которую совершает единица массы метанола, или эксергия, более чем наполовину ниже аналогичной величины для метана. Следует заметить, что эффективность перевода метана в метанол оставляет порядка 50-60% и, таким образом, большинство преимуществ использования метанола сводятся таким образом на нет.