Эксергия

Основываясь на втором начале термодинамики, установим количествен­ное соотношение между работой, кото­рая могла бы быть совершена системой при данных внешних условиях в случае протекания в ней равновесных процес­сов, и действительной работой, произво­димой в тех же условиях, при неравно­весных процессах.

Рассмотрим изолированную систему, состоящую из горячего источника с тем­пературой Ti, холодного источника (ок­ружающей среды) с температурой То и рабочего тела, совершающего цикл.

Работоспособностью (или эксергией) теплоты Q1, отбирае­мой от горячего источника с температу­рой Т1, называется максимальная полез­ная работа, которая может быть полу­чена за счет этой теплоты при условии, что холодным источником является окру­жающая среда с температурой То.

Из предыдущего ясно, что макси­мальная полезная работа L'_макс теплоты Q1 представляет собой работу равновес­ного цикла Карно, осуществляемого в диапазоне температур T1 –T0.

,

где .

Таким образом, эксергия теплоты Q1

,

т. е. работоспособность теплоты тем больше, чем меньше отношение . При она равна нулю.

Полезную работу, полученную за счет теплоты Q1 горячего источника, можно представить в виде , где — теплота, отдаваемая в цикле холодному источнику (окружающей сре­де) с температурой .

Если через обозначить прира­щение энтропии холодного источника, то , тогда

. (5.3)

Если бы в рассматриваемой изолиро­ванной системе протекали только равно­весные процессы, то энтропия системы оставалась бы неизменной, а увеличение энтропии холодного источника рав­нялось бы уменьшению энтропии горяче­го. В этом случае за счет теплоты Q1 можно было бы получить максималь­ную полезную работу

что следует из уравнения (5.3).

Действительное количество работы, произведенной в этих же условиях, но при неравновесных процессах, определя­ется уравнением (5.3).

Таким образом, потерю работоспо­собности теплоты можно записать как , но разность представляет собой изменение энтропии рассматривае­мой изолированной системы, поэтому

. (5.4)

Величина определяет потерю работы, обусловленную рассеиванием энергии вследствие неравновесности про­текающих в системе процессов. Чем больше неравновесность процессов, мерой которой является увеличение энтропии изолированной системы , тем меньше производимая системой работа.

Уравнение (5.4) называют уравне­нием Гюи — Стодолы по имени француз­ского физика М. Гюи, получившего это уравнение в 1889 г., и словацкого тепло­техника А. Стодолы, впервые применив­шего это уравнение.