Функция работоспособности рабочего тела в проточной термодинамической системе. Понятие эксергии

В этом случае заданными состояниями ТС являются:

- начальное равновесное состояние рабочего тела в т. 1 (р₁, Т₁);

- конечное равновесное состояние окружающей среды в т.0 (р₀, Т₀).

При этом и . Рассмотрим равновесные процессы, приводящие рабочее тело от состояния в т. 1 до состояния в т. 0.

Процесс 1-2 – адиабатный . В нем происходит обмен работой с окружающей средой.

Процесс 2-3 – процесс подвода теплоты q при температуре, равной температуре источника. При этом происходит обмен работой.

Процесс 3-4 – адиабатный процесс , в котором рабочее тело изменяет свою температуру до температуры Т ₀, совершая работу.

Процесс 4-0 – изотермический процесс, приводящий давление р ₄ к давлению р ₀. В процессе 4-0 теплота q ₀ отдается окружающей среде.

Уравнение 1-го закона термодинамики, связывающие количества работы и теплоты, которыми рабочее тело обменивается с источником теплоты q, с потребителем работы и с окружающей средой q ₀ при переходе от состояния 1 к состоянию 0, имеет вид:

. (1)

Суммарное изменение энтропии при переходе от состояния 1 к состоянию 0 равно:

,

где - изменение энтропии рабочего тела; - энтропия рабочего тела при Т ₀ и р ₀, s ₁ – энтропия рабочего тела в исходном состоянии;

- изменение энтропии источника теплоты q (знак минус означает, что энтропия источника убывает, т.к. источник отдает теплоту рабочему телу);

- изменение энтропии окружающей среды (окружающая среда получает теплоту q₀ от рабочего тела).

Следовательно,

, или

. (2)

Подставим q ₀ из выражения (2) в уравнение (1). Тогда

. (3)

При обратимости всех процессов и величина l ₀ является максимальной величиной, равной при произвольном начальном состоянии рабочего тела (р, Т):

. (4)

Если источники первичной теплоты отсутствуют, то получим

, (5)

где Э – эксергия, которая является функцией работоспособности рабочего тела в проточной системе.

Таким образом, эксергия – это максимальное количество полезной работы, полученное от рабочего тела в проточной системе при переходе ТС в состояние равновесия с окружающей средой при условии, что окружающая среда является единственным источником – приемником теплоты. При фиксированных значениях Т ₀ и р ₀ эксергия рабочего тела Э зависит только от его начального состояния, т.е. эксергия является функцией состояния рабочего тела при заданных температуре и давлении в окружающей среде.