7.Ексергія й ентропія. Зворотні та незворотні процеси.

Енергію можливо використати у двох видах: у вигляді теплоти й роботи Робота⁵ є вищою формою енергії, оскільки її можливо повністю перетворити е теплоту, тоді як зворотне неможливо. Тільки частину теплової енергії, що міститься в рідині⁶, можливо перетворити в роботу в замкнутому круговому процесі, що залежить від наступних факторів:

а) початкового й кінцевого станів рідини;

б) термодинамічного к.к.д. процесу⁷.

Е нтропія (з грец. entropi'a - поворот, перетворення) - функція стану термодинамічної системи, міра внутрішньої невпорядкованості системи, зміна якої в рівноважному процесі дорівнює відношенню кількості теплоти переданої системі або відведеної від неї, до термодинамічної температури системи. Нерівноважні процеси в ізольованій системі супроводжуються ростом ентропії, вони наближають систему до стану рівноваги, при якому ентропія максимальна.

Ексергія ( з грец. ек, ех — префікс, який означає високий рівень, і ergon — робота) — максимально можлива робота, яку може виконати термодинамічна система при переході із даного стану в стан рівноваги із навколишнім середовищем. Ексергією іноді називають працездатність системи.

Процес, у якому стан рідини змінюється завдяки прикладеній роботі й у якому рідина, повертаючись у початковий стан, може виконати таку ж кількість роботи, називають оборотним . Прикладом оборотного процесу є процес в ідеальному компресорі⁹, що працює на ідеальному газі¹⁰. Робота, прикладена до компресора підвищує тиск і температуру газу. Якщо система досконала, тобто в ній немає тертя або втрат теплоти, розширення газу може виконати таку ж роботу, яка була витрачена на його стиснення.

Ексергія оборотного процесу визначається за формулою:

де W_a - ексергія; Q_R - відведена теплота; - різниця ентальпій¹¹.

Необоротні процеси характеризуються вільним рухом і переходом від порядку до безладу. Будь які втрати енергії, при яких не відновлюється робота є необоротними. Рух завжди спрямований від більш високого рівня до низького. Якщо при цьому русі відновлюється робота, то прикладаючи роботу, потік можливо повернути, принаймні, частково. Але якщо з потоку робота не виділяється, то процес повністю необоротний.

Всі процеси, у яких відбувається рух до стану рівноваги без виконання роботи, є необоротними.

8.Змішування - незворотний процес

Процесом, зворотним поділу, є змішування. Якщо для поділу потрібна робота то при всякому з'єднанні рідин, що мають різні склади, втрачається деяка кількість роботи. Ці втрати роботи можна визначити за ентропією змішування.

1.2.1. Ентропія суміші

вираз для ентропії суміші ідеальних газів:

де S — ентропія одного моля суміші, F — число молів суміші, F_і — число молів і-го компонента суміші, С_р - питома теплоємність і-го компонента при постійному тиску, Т - абсолютна температура, R - газова постійна; p_і - парціальний тиск і-го компонента. В суміші ідеальних газів мольна частка x_і кожного компонента являє собою відношення його парціального тиску p_і до загального тиску p. Тоді в (1.15 можна підставити наступне співвідношення:

Тоді одержуємо:

Далі, число молів кожного компонента Fі дорівнює його мольній частці, що помножена на повне число молів суміші:

Після підстановки (1.18) в (1.17), знаходимо наступне:

Внесок самого складу суміші в її ентропію виділяється шляхом оцінки ефектів змішування в умовах постійної температури й тиску:

У той час як максимум ентропії досягається для еквімолекулярної бінарної суміші, зміна ентропії залежно від складу найбільш сильно виражено при наближенні до чистого продукту. Вираз (1.20) для бінарної системи має вигляд:

Диференціюючи його, одержуємо:

У табл. 1.1 ця похідна обчислена для умов, що відповідають наближенню до абсолютно чистого продукту. Співвідношення (1.22) характеризує роботу, яку потрібно зробити для поліпшення чистоти продукту, а також показує, наскільки легко забруднити продукт.

Таблиця 1.1 Зміна ентропії бінарної суміші залежно від ступеня чистота

Багатокомпонентні суміші не можна настільки ж просто описати графічно, як бінарні системи, тому що вони мають багато ступенів вільності. Проте вплив додаткових компонентів можна спостерігати, розглядаючи максимальне значення функції - в еквімолекулярних сумішах