Определим возможный равновесный путь перехода рабочего тела в потоке из начального состояния l с давлением p1 и температурой Т1 в конечное состояние 0 с давлением р0 и температурой То окружающей среды (рис. 23).
Так как рассматриваемая система содержит только один источник теплоты (окружающую среду с неизменной температурой Т0), то равновесный процесс можно представить себе либо при отсутствии теплообмена между потоком и средой (адиабатное расширение или сжатие), либо при наличии теплообмена между потоком и средой, но обязательно при температуре Т0 (изотермическое расширение или сжатие). Во всех остальных процессах неизбежно будет иметь место теплообмен между рабочим телом и средой при конечной разности температур и равновесный переход станет невозможным. Это значит, что единственным возможным путем перехода к равновесию с окружающей средой является адиабатное расширение до р2, То и последующее изотермическое расширение (или сжатие, если точка 2 окажется правее точки 0) до p0, Т0 . В последнем процессе рабочее тело отнимает от среды теплоту q0=Т0(s0-s2). На рис. 5.12 она изображена заштрихованной площадкой. Так как 1-2 — адиабата, то s2 = s1.
|
|
Рис. 23. К определению эксергии потока рабочего тела
Тогда q0= Т0(s0-s1).
Согласно уравнению первого закона термодинамики для потока в случае, когда с2 = с1 и qвнеш = q0 (поскольку процессы равновесны), q = h0 — h1 + lтехмакс.
Подставив выражение для q в предыдущую формулу, получим
е = lтехмакс=h1 – h0 - T0 (s1 – s0)
Величина lтехмакс есть максимальная удельная техническая работа, которую может совершить рабочее тело в потоке в процессе равновесного перехода из состояния р1, Т1, в котором энтропия равна s1, а энтальпия h1, в состояние ро, Т0 с энтропией s0 и энтальпией h0. Она называется максимальной работоспособностью или эксергией потока рабочего тела и обозначается буквой е.
Из изложенного ясно, что эксергия, т. е. максимальная работа, которую можно получить от рабочего тела в потоке, как правило, не равна располагаемому теплоперепаду h1—h0.
Эксергия e = h1—h0 — To(s1 — s0) зависит от параметров как рабочего тела h1, s1, так и окружающей среды р0, Т1. Однако если параметры окружающей среды заданы (чаще всего принимают Т0 = 293К, р0 =100кПа), то эксергию можно рассматривать просто как функцию состояния рабочего тела. Понятие эксергия полезно при анализе степени термодинамического совершенства тепловых аппаратов.
Проиллюстрируем это на следующем примере. Представим себе, что в аппарат поток рабочего тела входит с удельной эксергией е1, а выходит из него с эксергией е2, причем в аппарате рабочее тело совершает техническую работу lтех. Насколько совершенно протекает термодинамический процесс в аппарате?
|
|
Каждый килограмм рабочего тела до аппарата потенциально может совершить максимальную работу е1, а после аппарата е2. Значит, пройдя аппарат, рабочее тело «потеряло» часть работоспособности, равную е1— e2. Но при этом была совершена техническая работа lтех. Таким образом, «чистая» потеря работоспособности в аппарате
Δl= (е1 – е2) – lтех (99)
Эта потеря может происходить только из-за неравновесности протекающих в аппарате процессов. Чем больше неравновесность тем больше Δl и меньше полезная работа lтех. Если все происходящие в аппарате процессы равновесны, то мы получаем максимально возможную в данных условиях работу:
Lмак=е1 – е2 (100)