Эксергия — предельное (наибольшее или наименьшее) значение энергии, которое может быть полезным образом использовано (получено или затрачено) в термодинамическом процессе с учётом ограничений, накладываемых законами термодинамики; та максимальная работа, которую может совершить макроскопическая система при квазистатическом переходе из заданного состояния в состояние равновесия с окружающей средой (эксергия процесса положительна), или та минимальная работа, которую необходимо затратить на квазистатический переход системы из состояния равновесия с окружающей средой в заданное состояние (эксергия процесса отрицательнаОтрицательный знак эксергии означает, что работа производится за счёт энергии внешней среды (Бурдаков В. П. и др., Термодинамика, ч. 2, с. 118).).
Разность между изменением энергии в процессе и эксергией процесса, то есть та часть энергии, которая не может быть преобразована в эксергию, носит название анергии. Из закона сохранения энергии следует, что при любом преобразовании энергии сумма эксергии и анергии процесса остаётся неизменной.
Сравнивая эксергию — характеристику идеального квазистатического процессаКак средствами равновесной термодинамики описать переход между неравновесным и равновесным состояниями системы? С этой целью используют принцип локального равновесия, лежащий в основе классической неравновесной термодинамики. А именно, неравновесное состояние полагают локально — во времени и/или пространстве — равновесным, и переход между интересующими нас состояниями рассматривают как равновесный процесс. С тем, чтобы избежать когнитивного диссонанса от фразеологических оборотов типа: «равновесный процесса перехода из неравновесного состояния…», термин «равновесный процесс» в данной статье заменён на рассматриваемое в качестве его синонима словосочетание «квазистатический процесс». — с полученной/затраченной в реальном неравновесном процессе энергией, делают вывод о степени термодинамического совершенства процесса.
В отличие от энергии, эксергия и анергия зависят не только от параметров системы, но также от параметров окружающей среды и характеристик рассматриваемого процесса, то есть и эксергия, и анергия не являются параметрами состояния системы, а представляют собой параметры процесса, совершаемого системой, и следует говорить об эксергии процесса и анергии процесса.
Достаточно часто при неизменности состояния окружающей среды эксергию и анергию можно выразить через функции состояния системыЭто всегда можно сделать для адиабатных и изобарных процессов (Исаев С. И., Курс химической термодинамики, 1986, с. 108)., соответственно они ведут себя как функции состояния, к каковым их и принято в таких ситуациях условно причислять. Встретив в литературе фразы: «Энергия системы складывается из эксергии и анергии», «Второй закон термодинамики позволяет выделить 2 формы энергии: анергию и эксергию», «В идеальном обратимом процессе будет получена работа, равная убыли эксергии», — в которых использованы термины эксергия системы и анергия системы, следует вспомнить об условности отнесения этих термодинамических величин к функциям состояния, т. е. к характеристикам не процесса, а системы.
Когда параметры рабочего тела такие же, как у окружающей среды и термодинамический процесс невозможен, эксергия рабочего тела, рассматриваемая как условная функция состояния, равна нулю. Эксергия может быть получена только из источников с параметрами, отличными от параметров окружающей среды, эксергия которой всегда равна нулю: никакими методами нельзя заставить окружающую среду совершать работу.
Для промышленных установок в качестве окружающей среды обычно принимают атмосферный воздух. Для установок, работающих на открытом воздухе, температура которого зависит от времени суток и времени года, необходимо либо выполнять расчёты для различных периодов, либо брать какую-то усредненную температуру окружающей среды.
Понятие анергии как условной функции состояния помогает осознать тот факт, что объективно существует «бесполезная» энергия (внутренняя энергия окружающей среды и внутренняя энергия систем, находящихся в равновесии с окружающей средой). Переход эксергии в анергию сопровождает всякий неравновесный процесс (диссипация энергии). Обратный переход анергии в эксергию невозможен, поэтому все попытки практического использования анергии — создания вечного двигателя второго рода — обречены на неудачу. Для получения эксергии необходимы природные ресурсы и оборудование. Для реализации технических процессов требуются затраты эксергии. Поэтому эксергия всегда имеет определенную стоимость. Анергия же в окружающей среде имеется в практически неограниченном количестве, бесплатна, но её ценность нулевая. Понимание сущности анергии позволяет при решении практических задач исключить из рассмотрения системы, функционирование которых основано на использовании анергии.
Эксергетический анализ Основополагающая идея эксергетического анализа заключается в использовании при анализе технических систем помимо энергии дополнительного показателя — эксергии: сравнение фактически совершённой работы с эксергией процесса позволяет судить об эффективности использования энергии в тепловой машине. Чем ближе энергетические показатели реального неравновесного процесса к эксергии процесса, тем совершеннее процесс и тем сложнее увеличить его эффективность.
Эксергетический анализ, учитывающий потери от неравновесности процессов в системе, позволяет выполнить как относительную (см. далее раздел Эксергетический КПД), так и абсолютную оценку степени термодинамического совершенства применяемых технологий по сравнению с анализом, основанном на энергетическом КПД. Эксергетический анализ служит теоретической базой энергосбережения, поскольку даёт возможность просто и наглядно определять степень совершенства процесса и источники потерь из-за неравновесности во всевозможных установках, а эксергетические показатели легко могут быть связаны с технико-экономическими. Принято считать, что при выборе основных принципов процесса можно выявить источники 40 % потерь энергии, при проектировании — еще 40 %. Таким образом, примерно на 80 % потерь на этапе производства воздействовать уже невозможно. Именно поэтому эксергетический анализ имеет особенно большое значение на стадиях эскизной проработки и проектирования системы.
Эксергетический анализ не исключает энергетического, основанного на составлении баланса энергии, а дополняет его. Эксергетический анализ приводит, естественно, к тем же результатам, что и рассмотрение задачи любым другим термодинамическим методом, например с помощью энтропии (энтропийный анализ), но более нагляден с инженерной точки зрения. Одно из основных достоинств эксергетического метода состоит в том, что он позволяет судить о степени совершенства процессов, протекающих внутри теплообменника или химического реактора, по внешней характеристике — разности эксергии на входе и выходе аппарата.
Используемые в эксергетическом анализе термины «потеря энергии» и «потеря эксергии» имеют принципиально разное содержание: первый означает невозможность использования энергии для достижения конкретной цели, второй — полное исчезновение эксергии, связанное с диссипацией (рассеянием) энергии.
Эксергетический анализ наиболее полезен в тех случаях, когда на первый план выступают термические процессы, например при анализе энергосберегающих технологий и оценке теплотехнической эффективности технологии использования топлива. В то же время не для каждой технической задачи существует потребность в эксергетическом анализе. Так, при использовании энергии для технологических нужд (выпарки, плавки металла и т. д.) эксергия теплоносителя не имеет прямого значения. Для анализа квазистатических процессов эксергетический анализ, учитывающий потери от неравновесности, естественно, не применяют.
Эксергетический КПД Эксергетический КПД — отношение фактически совершённой работы к её максимально возможному значению, т. е. к эксергии рассматриваемого процессаМодификация этой дефиниции на случай отрицательных значенийэксергии выполняется элементарно.. Если обычный энергетический КПД показывает степень полезного использования энергии и позволяет сравнивать по этому показателю тепловые машины, то эксергетический КПД характеризует эффективность использования энергии (термодинамическое совершенство процесса) и отвечает на вопросы о теоретической возможности и практической целесообразности повышения эффективности тепловой машины: сравнительно небольшому значению энергетического КПД может соответствовать близкое к 100 % значение эксергетического КПД, когда дальнейшее повышение энергетического КПД невозможно из-за ограничений, накладываемых законами термодинамики. Значимое отклонение эксергетического КПД от единицы показывает наличие принципиально устранимых потерь эксергии, уменьшение которых возможно при более рациональном проведении процессов и использовании более совершенного оборудования.
Эксергетический КПД применим для анализа совершенства любых термодинамических процессов и любых теплотехнических устройств. Так, можно говорить об эксергетическом КПД цикла, комбинированной установки для выработки электричества и теплоты для целей теплофикации, теплообменного аппарата, тепловой изоляции и т. д.. Эксергетический КПД равновесных процессов равен 1.
Неравновесность как источник работы Любую теплоэнергетическую установку (ТЭУ) вместе с окружающей средой термодинамика рассматривает как изолированную системуВ зависимости от контекста далее под системой подразумевается либо подсистема «рабочее тело», либо, как в данном подразделе, рабочее тело + источники/приёмники энергии + окружающая среда.. Внутри такой системы совершение работы возможно только тогда, когда система неравновесна; в случае перехода системы в состояние равновесия получение работы в ней оказывается невозможным (речь идёт о полном равновесии: механическом, термическом, химическом, электрическом и т. п.) Таким образом, возможность получения работы в системе определяются не запасом энергии в ней (энергия изолированной системы не меняется при любых процессах), а неравновесностью системы, то есть наличием разности давлений, температур, электрических потенциалов и т. д.
В качестве примера рассмотрим баллон, заполненный сжатым воздухом с той же температурой, что и атмосферный. Система, состоящая из атмосферного воздуха (внешней среды) и воздуха в баллоне, находится в термическом равновесии, но в ней отсутствует механическое равновесие, и это позволяет в данной системе получить работу посредством любого воздушного двигателя.
Ещё один пример. Пусть систему образуют внешняя среда и тело с высокой температурой. При наличии механического равновесия в такой системе отсутствует равновесие термическое, что позволяет получить работу с помощью теплового двигателя, использующего в качестве энергоотдатчика тело с высокой температурой и в качестве энергоприёмника внешнюю среду.
В обоих случаях возможности получения работы исчерпываются, когда система приходит в состояние термодинамического равновесия. Но система может прийти в равновесное состояние и без совершения полезной работы: воздух из баллона можно выпустить в атмосферу, просто открыв кран; при термическом взаимодействии с внешней средой горячее тело охладится само.
При переходе системы из неравновесного состояния в равновесное полезная работа зависит от характера такого перехода. Наибольшей работа будет в том случае, когда отсутствуют потери на трение, а рабочие циклы ТЭУ имеют максимальные значения КПД.
Таким образом: изолированная система способна к производству работы только в том случае, когда она не находится в состоянии термодинамического равновесия; работоспособность системы исчерпывается и становится нулевой при достижении ею равновесного состояния; наибольшая возможная работа при переходе системы из исходного неравновесного состояния в конечное равновесное будет получена тогда, когда все процессы, связанные с преобразованием энергии, есть процессы квазистатические.
Виды эксергии