Чем менее совершенны технологические процессы и соответствующее им оборудование, тем больше рост энтропии и тем меньше целевых продуктов будет получено при той же затрате энергии. Таким образом, экономия энергоресурсов всегда сводится в конечном счете к сохранению качества энергии, к борьбе против роста энтропии.
Однако при всех достоинствах энтропии (и как критерия возможности осуществления процессов, и как меры, характеризующей качество энергетических превращений в них) ее непосредственно использовать для анализа энергетических превращений нельзя. Это объясняется тем, что энтропия и ее изменения не показывают непосредственно количества энергии — как того, которым мы в каждом случае можем располагать и которое можем полезно использовать, так и того, которое теряется бесполезно. Конечно, можно их найти, зная энтропию, но каждый раз для этого нужен специальный расчет с привлечением дополнительной информации. Чтобы иметь эти количества сразу и одновременно определять, нарушается второй закон или нет, было изобретено специальное термодинамическое понятие — эксергия [1.18-1.19][61]. В чем ее смысл?
Мы уже видели, что любая упорядоченная энергия (с энтропией S = 0, рис. 3.7) может быть всегда полностью переведена в любой другой вид энергии; напротив, если энергия в той или иной степени неупорядочена (S > 0), то на ее способность к превращениям второй закон налагает определенное ограничение. Чем больше эта энтропия, тем энергия менее качественна и тем меньше высококачественной (безэнтропийной) энергии (например, работы или электроэнергии) она в данных условиях может дать. Это означает, что безэнтропийная энергия может служить как бы эталоном, общей мерой качества, работоспособности любого вида энергии. Она и была названа эксергией. В такой общей мере (эксергии), конечно, «спрятана» внутри энтропия как некая базовая величина; это необходимо, но недостаточно. Кроме нее в эксергию неизбежно должны входить и другие величины, характеризующие как энергию, так и ту окружающую среду, в которой энергия используется.
Действительно, представим себе, например, что мы располагаем 100 единицами (кДж) теплоты Q при разных температурах T = 500, 1000 и 1500 К. Отнеся Q к T, мы будем знать энтропию, но ответа на вопрос, какую работу можно получить, располагая этой теплотой (т. е. какова его эксергия), мы не получим. Для этого нужно найти ее работоспособность, эксергию, т. е. максимальную работу, которую она может дать.
Эта величина — эксергия теплоты Eq — определяется по той самой формуле Карно-Клаузиуса, о которой мы уже говорили в предыдущей главе (L = Q∙(T1-T2)/T1). Кроме температуры Т1 в формулу входит и температура теплоприемника Т2, которая в нашей задаче соответствует температуре окружающей среды ТО.С.. Примем ее равной 300 К (+27 °С).
Тогда работоспособность (эксергия) 100 кДж теплоты составит: для первого случая Eq1 = 100∙(500-300)/500 = 40 кДж, для второго — Eq2 = 100∙(1000-300)/1000 = 70 кДж и для третьего Eq3 = 80 кДж.
Очевидно, что при других ТО.С. значения эксергии будут тоже другими, поэтому учитывать ее нужно обязательно.
Характерно, что сторонники «энергетической инверсии», т. е. извлечения теплоты из окружающей среды, превращения ее в работу и создания на такой основе ppm-2, не признают очевидного факта зависимости работоспособности теплоты от температуры. Это и естественно. Согласие с существованием такой зависимости неизбежно приводит к краху всей концепции ppm-2, поскольку «теплота окружающей среды» при Т = ТО.С. никакой работы дать не может. Тем не менее В.К. Ощепков пишет: «Калории есть калории, независимо от того, при какой температуре они измерены» и далее, чтобы не оставить никаких сомнений в смысле этого утверждения: «В природе нет и не может быть энергии более ценной и менее ценной — энергия всегда есть энергия» [3.1].
Естественно, что никаких научных доказательств этого, мягко говоря, странного тезиса не приводится. Игнорируется не только все, что сделано в термодинамике за последние 150 лет, прошедшие со времен Карно, но и все, что мы наблюдаем в природе и используем в технике.
Аналогично тому, как это делается для потока теплоты, можно определить и эксергию любого вида внутренней энергии, связанной с каким-либо телом. В определении эксергии в зависимости от того, с какой энергией мы имеем дело, могут участвовать не только температура, но и другие величины, например давление.
Если мы располагаем, например, баллоном, содержащим под определенным давлением р1 = 10 МПа, то в земной атмосфере с давлением р2 = 0,1 МПа он будет иметь работоспособность, которую можно реализовать, заставив его, скажем, вращать турбину, в которой газ расширится до 0,1 МПа.
Но если поместить такой баллон, например, в венерианскую атмосферу при р2 = 10 МПа, или в глубину моря, где такое же давление, то работоспособность (эксергия газа) в нем будет равна нулю (давления р1 и р2 равны — газ в баллоне энергетически «мертв»).
Работоспособность — эксергия вещества — энергоносителя может определяться не только различием с окружающей средой в температуре и давлении. Не менее важна и разница в химическом составе. Если она есть, — существует и эксергия, которая может быть превращена в работу или другую безэнтропийную энергию с помощью соответствующего устройства. Это можно пояснить тоже «космическим» примером. Природный газ (в основном метан) имеет высокую работоспособность в среде воздуха или еще большую в среде кислорода. Но если поместить его в метановую атмосферу (где-нибудь на Юпитере), его работоспособность исчезнет — эксергия станет равной нулю. Напротив, воздух в этих же условиях будет прекрасным «топливом» с большой работоспособностью.
Нетрудно видеть, что все приведенные примеры аналогичны тем, которые приводились ранее (рис. 3.6) при разборе понятия энтропии. Эксергия (возможность получить работу) имеется, если существуют разности потенциалов интенсивных величин — температур, давлений или химических составов. Если их нет — система энергетически мертва — энтропия имеет максимальное значение.
Разница между последними примерами и показанными на рис. 3.6 состоит в том, что роль одной из половин сосуда играет окружающая среда, что в большей мере соответствует реальным техническим задачам.
Оценка энергетических ресурсов с помощью эксергии широко используется и в теории — во многих разделах термодинамики и в инженерной практике. Эксергия служит общей, единой мерой любых видов энергии (потока теплоты, вещества, излучения), определяя точной количественной мерой ее качество. Она дает возможность сформулировать второй закон термодинамики в менее общей, но зато более практически удобной форме, чем энтропия. Эта формулировка гласит: В любых реальных процессах, протекающих в условиях взаимодействия с равновесной окружающей средой, эксергия либо остается неизменной (в идеальных процессах), либо уменьшается (в реальных). Это означает, что любой процесс, в котором общая эксергия на выходе Еʺ равна или меньше входящей E’ возможен; напротив, если Еʺ > E’, то невозможен и представляет собой некий вариант ppm-2.
Если отнести Еʺ к E’ то получим так называемый эксергетический КПД ηe = Еʺ/E’. Очевидно, что ηe в идеальном случае равен единице, т.е. 100%, а в реальном ηe < 100%. Если же ηe получается больше 100%, то мы неизбежно имеем дело с каким-либо вариантом ppm-2. Здесь просматривается четкая связь с фундаментальным энтропийным определением второго закона. Первый случай — идеальный процесс соответствует постоянству энтропии, второй — ее росту. Но пользоваться эксергетическим критерием более удобно: он непосредственно включает энергетические величины и в этом отношении аналогичен первому закону термодинамики. (Напомним, что непременное условие выполнения первого закона — равенство энергий: ∑W’ = ∑Wʺ; для второго закона ∑Eʺ ≤ ∑Е’.)
Вооружившись эксергетическими уравнениями, можно без излишних сложностей проанализировать любой нужный нам процесс или систему. Если системы еще нет, мы исследуем ее проект на предмет возможности ее осуществления; если она существует, то можно проверить, каков ее КПД.
Эксергия дает также возможность сформулировать удобное определение ppm-2, симметричное определению ppm-1. Если ppm-1 — это машина, делающая энергию из «ничего» (∑Wʺ > ∑W') разность ΔW = ΔWʺ — ΔW' берется «ниоткуда»), то ppm-2 — это машина, делающая эксергию из того же «материала» (∑Еʺ > ∑Е'; разность ΔЕ = ΔЕʺ — ΔЕ' берется тоже «ниоткуда»).
Эксергия дает возможность более удобно, чем с помощью энтропии, охарактеризовать энергетические превращения в биологических объектах. Действительно, характеризуя энергетику растений и животных, мы по образцу [1.8, 1.10] говорили о том, что, поглощая потоки вещества и энергии с малой энтропией, они выдают их с большей энтропией, т. е. «сбрасывают» энтропию в окружающую среду. Тем самым доказывается, что они функционируют в полном согласии со вторым законом. Но как сказать одним словом (причем строго научно) не о том, что они «сбрасывают», а о том, чем они питаются (в энергетическом смысле)?
