Эксергетический баланс

Термодинамические методы анализа энергобалансов
Для оценки эффективности технологических систем и процессов используют материальные балансы и энергетические балансы, базирующиеся на законах сохранения массы и энергии.
Энергетический баланс учитывает только количественные соотношения преобразования энергии, на основе которых определяется энергетический коэффициент полезного действия, но при этом не дается оценка количественного различия энергоресурсов различной физической природы и разного потенциала.
В связи с этим энергетические балансы дополняют эксергетическим балансом, основанном на одновременном учете первого и второго законов термодинамики.

Первый закон термодинамики
Для составления и анализа энергетических балансов может быть использован первый закон термодинамики–частный случай закона сохранения энергии в применении к термическим процессам. Тепловая энергия Q, полученная системой, расходуется на увеличение внутренней энергии U системы и на совершение работы A.
Q=ΔU+A
При изобарном процессе полученная системой теплота расходуется на приращение энтальпии H
H=U+pV,
где р-давление, V-объем

Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики позволяет предсказывать принципиальную возможность и направление протекания различных процессов и конечные состояния, которых они достигают. Для изолированной системы направление процесса определяется изменением энтропии S.
Дифференциал энтропии dS в обратимом процессе равен отношению приращения теплоты, полученного системой, к абсолютной температуре системы
dS=δQ/T
Для изолированной системы энтропия может только возрастать dS>0 и максимальна в состоянии равновесия dS=0
Максимальная полезная работа - эксергия теплоты Q - представляет собой работу равновесного цикла Карно
L=Q(1-Tu/Tz)
где Tu- температура окружающей среды, Tz- температура производства теплоты.

Эксергия
Энергия может быть представлена на T,s диаграмме как площадь фигуры, лежащей ниже температуры производства теплоты Tz. Часть тепловой энергии над линией температуры окружающей среды Tu -эксергия- имеет термодинамическую ценность и может быть преобразована в другие виды энергии, часть тепловой энергии ниже линии температуры окружающей среды, анергия - термодинамически бесполезна.

Эксергетический баланс
Потеря работоспособности системы обусловлена рассеиванием энергии вследствие неравновесности процессов. Для эксергии неприменим закон сохранения, сумма эксергий всех элементов системы в ходе процесса уменьшается. Уравнение Гюи-Стодолы позволяет определить эксергетические потери D
D=Tu ΔS,
где ΔS-изменение энтропии
Чем больше неравновесность процессов, тем меньше производимая системой работа.
Уравнение эксергетического баланса имеет вид
ΣE’= ΣE’’+D,
где ΣE’ и ΣE’’ -входящие и выходящие потоки эксергии, D -потери эксергии.