7. Приложения

7.1. Энергия и законы термодинамики

[269, Valero, 2007]

Процессы энергоаудита и энергетического обследования промышленных предприятий играют важнейшую роль в получении достоверной картины использования энергии, необходимой для целенаправленной деятельности по повышению энергоэффективности. Как правило, аудит предполагает составление материальных, энергетических и эксергетических балансов, на основе которых могут быть предложены рекомендации по минимизации потерь и/или оптимизации энергоэффективности. Общие свойства энергии и законы ее превращения, а также закономерности обмена энергией между системами изучаются в разделе физики, называемом термодинамикой. В настоящем приложении приводится краткое изложение основных понятий и законов термодинамики, уделяющее особое внимание областям, значимым в контексте оптимизации энергопотребления и энергоэффективности промышленных предприятий. Более подробно с основами термодинамики можно ознакомиться в учебниках для высших учебных заведений (см. список литературы в разделе 7.1.4.1).

7.1.1.Общие принципы

7.1.1.1.Описание систем и процессов

(Примечание: размерности физических величин в настоящем приложении приводятся в системе СИ)

Термодинамическая система представляет собой некоторое количество вещества, окруженное определенной границей, выбранной для целей термодинамического анализа. Все, что находится за пределами системы, называется внешней средой. Если система не обменивается веществом с внешней средой, она называется закрытой. В противном случае система считается открытой.

Важным классом систем, часто встречающимся в инженерной практике, являются стационарные системы. Стационарная система может быть определена как любая область пространства с заданными границами, через которую движутся материальные потоки, причем характеристики вещества как внутри системы, так и на ее границах не меняются с течением времени. Понятие стационарной системы может использоваться при анализе различных устройств, включая компрессоры, газовые и паровые турбины, котлы, насосы, теплообменники и т.д. Общей особенностью всех перечисленных устройств является то, что в них поступают и их покидают один или несколько материальных потоков. Подобная система может также называться системой в стационарном или установившемся режиме, контрольным объемом в стационарных условиях или проточной системой.

Любая характеристика системы называется свойством. В частности, к свойствам относятся такие хорошо известные параметры, как температура, объем, давление и масса. Свойства, не зависящие от размера системы (например, температура, давление, плотность), называются интенсивными, а свойства, зависящие от размера системы (масса, объем, общая энергия), – экстенсивными. Если система состоит из нескольких частей, значение экстенсивного свойства системы в целом равно сумме значений соответствующих свойств частей системы. Отношение экстенсивной величины к массе системы или количеству вещества в ней называется удельной величиной. Состояние системы определяется ее свойствами. Любое уравнение, определяющее соотношение между различными свойствами системы, называется уравнением состояния.

Состояние системы называется равновесным, если оно остается неизменным при условии изоляции системы от внешней среды. Любое изменение свойств системы называется процессом. Если ни одно из свойств системы не меняется с течением времени, состояние системы называется стационарным. Если в результате процесса система возвращается в исходное состояние, говорят, что система совершила цикл. Обратимым называется процесс, после совершения которого как система, так и внешняя среда могут быть возвращены в исходное состояние. Если это невозможно, процесс называется необратимым. Процессы, в которых участвует трение или

360

происходит выравнивание термодинамических потенциалов, не могут быть обратимыми. Хотя в действительности все процессы являются необратимыми, изучение обратимых процессов имеет большое значение, поскольку оно позволяет выяснить принципиальные ограничения, налагаемые законами термодинамики на различные характеристики систем и процессов.

7.1.1.2. Формы энергии и способы ее передачи

7.1.1.2.1. Формы энергии

Энергия может существовать в различных формах. Наиболее важными формами в контексте термодинамики являются внутренняя, кинетическая и потенциальная энергия. Другие формы энергии, например, электромагнитная энергия и энергия поверхностного натяжения, являются значимыми лишь в некоторых специальных классах задач и не рассматриваются в данном обзоре. Энергия измеряется в джоулях или различных внесистемных единицах, например, киловатт-часах

(кВт·ч).

Внутренняя энергия (U) представляет собой форму энергии, связанную с относительным движением, расположением и внутренним состоянием микроскопических частиц вещества (атомов или молекул).

Энергия, связанная с движением системы как целого в некоторой системе отсчета, называется кинетической энергией (KN). Кинетическая энергия определяется по следующей формуле:

где:

C – скорость системы в заданной системе отсчета; m – общая масса системы.

Один из видов потенциальной энергии, имеющий большое практическое значение, – гравитационная потенциальная энергия – определяется положением системы как целого (высотой) в гравитационном поле Земли. Эта энергия может быть определена по следующей формуле:

где:

g – ускорение свободного падения у поверхности Земли;

z – высота центра масс системы по отношению к некоторому произвольно выбранному базовому уровню.

На практике имеет значение не абсолютная величина потенциальной энергии, а ее изменение при изменении положения (высоты) системы.

Полная энергия системы, представляющая собой сумму внутренней, кинетической и потенциальной энергии равна:

Описанные в предыдущем разделе составляющие энергии системы являются «статическими» формами энергии, т.е. формами, в которых энергия содержится или «хранится» в системе. Однако энергия может и преобразовываться из одной формы в другую, а также передаваться от одной системы к другой. В случае закрытой системы, которая не обменивается веществом с внешней средой, энергия может передаваться за счет передачи теплоты или совершения работы. Количество теплоты и работа не являются свойствами системы, поскольку они зависят не только от начального и конечного состояния системы, но и от характеристик конкретного процесса

361