3.3.1. Термодинамическая аналогия..

Как было показано выше, термодинамика позволяет анализировать все происходящие в природе явления с единой точки зрения.

В [1] приводится следующая фомулировка науки термодинамика: «Термодинамика (по-гречески therme –теплота, жар и dynamikos – относящийся к силе, силовой) – это всеобъемлющая наука, которая изучает свойства (состояния) материи и процессы ввзаимодействия тел природы в их взаимной связи ....

Как известно, движение неотделимо от материи, оно представляет собой способ существования материи. Фундамент термодинамической теории составляет понятие элементарной формы движения материи. Для краткости элементарная форма движения именуется иногда элементарным движением. Если нет специальных оговорок, то под термином форма движения материи также понимается элементарная форма движения.»

Число элементарных форм движения материи безгранично, они являются кирпичиками общего понимания энергии и работы. Все эти формы движения материи находятся в неразрывной связи между собой. По мере необходимости с учетом конкретных условий они имеют возможность или вынуждены превращаться в любую другую форму движения.

Автор [5] сформулировал общий подход к изучению явлений различных форм движения материи. Он пишет: «Для каждой элементарной формы движения материи существует (и может быть найден) характерный параметр Е, который с качественной и количественной стороны однозначно определяет эту форму движения, а, следовательно, и все (макроскопические и микроскопические) свойства (состояния) материи в той мере, в какой они связаны с этой формой движения.

Параметр Е называется обобщенным зарядом (или просто зарядом). В литературе его именуют также фактором экстенсивности или координатой состояния.»

Другой координатой автор предлагает считать связанный с ним параметр под названием потенциала. Потенциал, как это будет ясно из дальнейших рассуждений, есть движущая сила, обуславливающая возможность рассматриваемого явления. Потенциалом могут служить такие величины, как сила, момент силы, угловая скорость, давление, абсолютная температура, химический и электрический потенциалы и т.д. и т.п. Потенциал – это величина, определяющая физическую возможность проявления рассматриваемого явления. Изменение потенциала проявляется в появлении работы, видоизменении энергии и другие переходы. Если потенциал неизменен (несмотря на наличие обобщенного заряда), то рассматриваемое явление не может проявиться. Для пояснения несколько примеров :

- если массивное тело находится на какой-то высоте от уровня земли, оно не может совершить работу; для начала изменения потенциальной энергии надо предоставить возможность телу переместиться по высоте ΔН. Здесь заряд – mg (произведение массы тела на земное ускорение), потенциал –ΔН.

- если тело любой массы и теплоемкости имеет температуру, совпадающую с температурой окружающих тел среды, то процесса передачи тепла мы не выявим. При наличии разности температур ΔТ произойдет процесс теплообмена. Здесь mc_p (произведение массы на удельную теплоемкость) – обобщеный заряд, а ΔT – потенциал.

-если электрический проводник обладает потенциалом U, не отличающимся от потенциала окружающих тел (ΔU=0), то не приходится говорить о возможности появления тока I, здесь I – обобщенный заряд, а ΔU –потенциал.

Произведение обобщенного заряда на изменение потенциала всегда равно работе или выделению (поглощению) энергии. Последнее положение подтверждает мысль, что для выделения (поглощения) энергии необходимо изменение потенциала. Масштабом выделения (поглощения) энергии является обобщенный заряд.

Рассмотрение переходов энергии с точки зрения аналогии позволяет находить эквиваленты потребных изменений потенциалов для обеспечения требуемого результата (например, какая должна быть высота подъема тела над уровнем земли ΔН для достижения уровня кинетической скорости движения рассматриваемого тела – Δ(υ²/2) ; достаточно приравнять эти величины и произвести вычисления.

В таблице №3.4 приводятся сведения о наиболее применяемых в технике аналогий.

Таблица№3.4 Термодинамические потенциалы и заряды

для наиболее часто применяемых видов энергии.

Вид энергии	Потенциал	Обобщенный заряд	Энергия, работа
Потенциальная	Н	mg	Eпот = mg·ΔH
Кинетическая	υ^2/2	m	Екин = m·Δ(υ^2/2)
Давления	р	V	Есж = V· Δр
Перемещения	S	F	Епер = F·ΔS
Тепловая	Т	mср	Етеп = mср· ΔТ
Электрическая	U	I	Еэлек = I·ΔU

Список явлений и аналогий можно продолжить для всех видов энергий, перечисленных в таблице №3.1.

Техническая работоспособность – эксергия.

Развитием понятия термодинамических потенциалов в середине 50-х годов ХХ века стало создание еще одного обобщенного понятия, позволяющего анализировать совершенство процесов, изучаемых технической термодинамикой, т.е. раздела термодинамики, изучающим совершенство реальных процессов тепловых машин. Вновь введенное понятие назвали эксергией.

Изучая цикл Карно, Клаузиус пришел к выводу, что в адиабатной изолированной системе при наличии в цикле обратимых процессов энтропия системы ∆S_сист =0.

Рис. 3.22. Сравнение обратимого и необратимого циклов Карно.

Реальные процессы протекают в условиях неравновесных процессов, когда даже изотермическое сжатие осуществляется ступенчато (после каждой ступеньки повышения давления со скачкообразным ростом температуры рабочего тела следовало охлаждение его также ступенькой). Все процессы протекают с наличием гидравлических и механических потерь, что создает безвозвратные для рабочего тела и процессов с ним потерь энергии, части выполняемой работы расширения (сжатия). И в реальных процессах ∆S_сист >0.

Рис.3.22. схематично изображает сравнение обратимого и необратимого циклов Карно.

Видно, что недополученная из-за дополнительного отвода тепла полезная техническая работа уменьшается на величину

L – L_необр = ∆L_потерь = T₂∆S_сист (^^)

Любая другая необратимость также увеличивает возрастание энтропии системы и требует дополнительного отвода теплоты от рабочего тела для замыкания цикла и, следовательно, недополучения работы.

Хочется остановиться на расширении понятия физического смысла энтропии:

- в равновесных процессах энтропия – это тепловая координата, изменение которой показывает направление теплообмена и позволяющее определять его количественно;

- в неравновесных процессах энтропия является, кроме того, мерой неравновесности и мерой потери работоспособности системы.

Энтропия системы в необратимых процессах возрастает за счет увеличения энтропии приемника теплоты, которым, в конечном счете, является окружающая среда.

При одинаковых последствиях необратимости протекания процессов (потеря работоспособности) причины их могут быть различными.

Диссипацией энергии (рассеянием, потерей качества) принято называть самопроизвольный необратимый процесс преобразования энергии 1-го рода, например работы, в теплоту трения.

Деградацией энергии (обесцениванием, потерей качества) принято называть, самопроизвольный необратимый процесс преобразования энергии 2-го и 3-го родов (охлаждение тел, дросселирование газа, процессы смешения потоков и т.д.).

Рассмотрим процесс рассуждения автора понятия эксергии З. Ранта, предложившего это понятие в 1956 году. Термин эксергия состоит из двух частей : греческого слова «erg(on)» - «работа, сила» и приставки «ех», означающей «из», «вне». Часть энергии, которая не является эксергией, позже, в 1962 году, З.Рант назвал «анергией», где приставка «ан» означает отрицание «не» или «нет».

Использование понятий эксергии и анергии позволило автору говорить о неограниченно и ограниченно превратимых формах знергии. Ораниченно превратимые виды энергии можно преобразовать в эксергию только частично. Часть энергии в эксергию не превратима. Энергия в этом случае состоит из эксергии и анергии. Каждая из этих составляющих, в общем случае, может равняться нулю. Так, например, анергия электрической энергии равна нулю. А для энергии окружающей среды равна нулю эксергия.

В любом процессе сумма эксергии и анергии равна затраченной энергии.

Поведение эксергии и анергии можно сформулировать так:

1. При протекании обратимых процессов эксергия остается неизменной.

2. В ходе необратимых процессов эксергия теряется и превращается в анергию.

3. Анергию в эксергию превратить невозможно.

Здесь следует обратить внимание на понятие «теряется». Термины «потеря энергии» и

«потеря эксергии» имеют принципиальное отличие содержания. Потеря энергии, по существу, означает потерю не вообще (энергия, как известно, не исчезает), а потерю для данного тела или данной системы. Потеря же эксергии, напротив, означает ее полное исчезновение, уничтожение и переход в анергию.

Эксергией называют максимальную работу, которую может совершить система при ее переходе от данного состояния в равновесие с окружающей средой. Эксергия может иметькак положительное, так и отрицательное значение. Под отрицательной эксергией понимают минимальное количество работы, которую должна затратить система, чтобы отвести теплоту Q от тела с данной температурой в окружающую среду.

Различают эксергию теплоты и эксергию рабочего тела в потоке.

Максимальную работу можно получить лишь в равновесных обратимых процессах, осуществляя их по адиабатам и изотермам (в том или ином сочетании).

Максимальную работу можно получить преобразованием теплоты только в обратимом цикле Карно, следовательно, эксергия теплоты

Ех_Q = L_к = Qη_tК = Q(1-Т_о/Т)

Эксергия теплоты графически показана на рисунке 3.23, где Т_о –температура окружающей среды; Ан –анергия, не преобразуемая в работу часть теплоты Q.

Рис. 3.23. Эксергия теплоты.

Эксергия рабочего тела в потоке определеяется максимальной работой потока, полученной при обратимом переходе из состояния 1 (рис.3.24) в равновесие с окружающей средой (параметры р_о,Т_о)

а б

Рис. 3.24. Эксергия рабочего тела в потоке в рv-(а) и ТS-(б) диаграммах

Эта работа является суммой двух работ – в процессе адиабатного расширения 1-а (площадь 1-а-b –f на рис.3.24а и площадь 1-l – c – d на рис. 3.24 б) и в процессе изотермического расширения (площадь a – o – c – b на рис.3.24а и площадь a – o – k –l на рис.3.24б).

Удельная энергия рабочего тела в потоке

Любое отклонение протекания реальных процессов от обратимых изотерм и адиабат приводит к потере эксергии из-за необратимости.

Так при передаче теплоты Q от тела с температурой Т₁ к телу с более низкой температурой Т₂ происходит уменьшение эксергии и увеличение анергии (рис.3.23):

При сохранении количества теплоты происходит потеря ее качества – способности производить работу, деградация энергии. Потеря эксергии тем выше, чем выше возрастание энтропии системы вследствие необратимости процессов, происходящих в системе:

∆Ex = Т_о∆S_сист (^^^)

Это выражение справедливо и для потери эксергии рабочего тела в потоке.

Формулы (^^) и (^^^) , связывающие потерю работы (эксергии) с величиной возрастания энтропии системы вследствие необратимости протекающих в системе процессов, называют формулой Гюи-Стодола.

Эксергетический КПД цикла есть отношение полезно использованной эксергии ко всей израсходованной эксергии :

(^^^^)

Удобство понятия эксергии заключается в том, что с помощью эксергии можно рассматривать как отдельные процессы, так и циклы работ реальных тепловых машин.

Эксергетический баланс потерь позволяет рассматривать частичные потери аддитивно в цикле тепловой машины.

Рис. 3.25 Эксергетический баланс ДВС

Здесь: Ех_полез –полезная работа цикла; ∆Ех_ост – остальные потери ;

∆Ех_м – потери от охлаждения в масло; ∆Ех_охл – потери от охлаж-

дения цилиндра; ∆Е_г - потери с уходящими газами; ∆Е_гор –потери

от несовершенства процесса сгорания.