Systems. Methods. Technologies 3 (43) 2019

Системы Методы Технологии. В.С. Степанов и др. Использование эксергетического … 2019 № 3 (43) с. 74-80 75 Keywords: plant vegetation; efficiency mark; thermodynamic methods; exergy analysis; energy and exergy efficiency. Понятие эксергии. Энергетический и эксергети- ческий КПД. При исследовании технических систем и оценке их термодинамической эффективности следует принимать во внимание, что различные формы энергии характеризуются разной способностью к преобразова- нию одной в другую (включая работу) при определен- ных параметрах окружающей среды ( p 0 , T 0 ). В соответ- ствии с этим используемые в практике виды энергии по степени их превратимости можно разделить на три группы [1–4]: 1) неограниченно превратимые (безэнтропийные) формы энергии; 2) ограниченно превратимые, которые характери- зуются энтропией, отличной от нуля (химическая энер- гия, внутренняя энергия окружающей среды, теплота при температуре Т , не равной температуре окружаю- щей среды T 0 , т. е. при T  T 0 ); 3) непревратимые при заданных неизменных пара- метрах окружающей среды. В первую группу включают формы энергии, которые полностью превратимы в любые другие формы. Сюда относятся механическая (кинетическая и потенциаль- ная), электрическая энергия всех видов и др. Поскольку все формы энергии этой группы равнозначны и по ко- личеству, и по качеству, они в полной мере обладают свойствами аддитивности. Превратимость этих форм не зависит от параметров окружающей среды. Ко второй группе относят виды энергии, которые не способны в общем случае полностью преобразовывать- ся в другие формы энергии. Возможности их преобра- зования определяются как параметрами этой энергии, так и параметрами окружающей среды. Такие формы энергии характеризуются энтропией, не равной нулю. Энергия 2-й группы (внутренняя энергия рабочего тела; энергия, передаваемая в виде теплоты, теплового потока; энергия химических реакций) не может быть полностью преобразована в другие формы. Преврати- мость таких форм энергии определяется не только ее собственными параметрами, но и параметрами окру- жающей среды. В пределе, когда параметры носителя энергии станут равными параметрам окружающей сре- ды, ее техническая ценность будет равна нулю, т. е. она из этой группы перейдет в 3-ю группу (группу непре- вратимых форм). В 3-ю группу включают формы энергии 1-й и 2-й групп, которые при заданных неизменных параметрах окружающей среды находятся с ней в полном термоди- намическом равновесии. Следовательно, преобразова- ние их в другие формы согласно второму закону тер- модинамики невозможно. Все балансовые расчеты, рассматривающие формы энергии 1-й группы, могут вестись на основе только первого начала термодинамики. При исследовании процессов, в которых участвуют формы энергии 2-й группы, необходимо учитывать ограничения, наклады- ваемые не только первым, но и вторым началом термо- динамики. Поэтому понятия энергии в этих случаях недостаточно. Мерой превратимости, пригодности заданного ко- личества энергии, характеризуемой энтропией, принято считать максимальную работу, которая может быть получена из этой энергии в обратимом процессе ее взаимодействия с равновесной окружающей средой. Эта величина была названа З. Рантом эксергией [2], и определяется она с привлечением второго начала тер- модинамики. Химическая энергия и эксергия веществ. Одной из существенных проблем при использовании в биоло- гии термодинамических методов является оценка по- лезного эффекта процессов вегетации. Однозначно можно сказать, что рассчитывать ее по теплоте сгора- ния полученного объема биомассы абсолютно неверно. Для определения полезной энергии/эксергии в сере- дине XX в. учеными были предложены новые, более совершенные характеристики для оценки энергетиче- ского потенциала любого как неорганического, так и органического вещества — его химическая энергия — и разработаны методы ее определения. Понятия химической энергии и эксергии вещества были введены в термодинамические исследования вме- сте с эксергетическим методом анализа. Эти показате- ли впервые ввел и предложил методы их определения польский ученый Я. Шаргут [3]. Для каждого элемента устанавливается вещество отсчета — энергетически полностью обесцененное вещество, содержащееся при нормальных условиях в окружающей среде (ОС). По- сле этого для каждого элемента составляется уравнение реакции девальвации , т. е. реакции для идеализирован- ного процесса приведения рассматриваемого элемента в состояние принятого для него вещества отсчета. Из- менение энтальпии в реакции девальвации было назва- но энтальпией девальвации рассматриваемого элемента и принято за величину химической энергии этого эле- мента э i :     j k k j H H H i 0 0 0 э э , (1) где 0 H  — стандартная теплота образования, т. е. из- менение энтальпии при реакции образования соответ- ственно рассматриваемого элемента и веществ отсчета из простых веществ в стандартном состоянии ( 0 T = 298,15 К, или 25  С; 0 p = 101,325 кПа): j , k — индексы соответственно дополнительного и результирующего веществ отсчета. Подобным же образом определяется свободная эн- тальпия девальвации (химическая эксергия) элемента э e :     j k k j G G G e 0 0 0 э э , (2) где 0 G  — стандартная свободная энергия образова- ния, т. е. изменение изобарного потенциала при реак- ции образования вещества отсчета в стандартном состоянии. Значение химической эксергии может быть опреде- лено и на основании следующей зависимости: э 0 э э   T i e , (3)