Eksergia
 |
Tähän artikkeliin tai osioon ei ole merkitty lähteitä, joten tiedot kannattaa tarkistaa muista tietolähteistä. Voit auttaa Wikipediaa lisäämällä artikkeliin tarkistettavissa olevia lähteitä ja merkitsemällä ne ohjeen mukaan. |
Exergia on energian työhön kykenevä osuus. Anergia taas on työhön kykenemätön osuus. Nimen käsitteelle keksi Zoran Rant 1956 mutta käsitteen kehitti J. Willard Gibbs vuonna 1873. Exergian synonyymejä ovat mm. exerginen energia, hyödynnettävissä oleva energia, käyttökelpoinen työ, maksimi (tai minimi) työ, palautuva työ ja ideaalinen työ.
Systeemin exergia on suurin mahdollinen mekaaninen tai sen kanssa ekvivalenttinen energia, joka voidaan työnä saada ulos systeemistä, kun se siirtyy alkutilasta tasapainotilaan ympäristön kanssa.
Exergiaa ovat kokonaan liike-energia, potentiaalienergia ja sähköinen energia sekä magneettinen energia. Sisäenergiasta voidaan muuttaa mekaaniseksi energiaksi, eli exergiaksi, vain Carnot`n koneen hyötysuhteen määrittelemä osuus.
Historia
Carnot
1824 Sadi Carnot tutki mm. James Wattin tekemiä höyrykoneen parannuksia. Carnot käytti teoreettista lähestymistapaa ja löysi siten uusia ideoita aiheeseen. Hän halusi selvittää onko lämpövoimakoneen hyötysuhteelle olemassa fysikaalinen yläraja (pienenmpi kuin 1). Tätä varten hänen tuli kehittää todellisesta konekonstruktiosta riippumaton konstruktio. Hän käytti käsitteellisä käsitteitä A ja B. Nämä ovat kaksi vakiolämpötilassa olevaan systeemiä siten että A:n lämpötila on korkeampi kuin B:n. A:sta voidaan ottaa ja B:hen voidaan lisätä lämpöä ilman, että niiden lämpötila muuttuu.
Carnot kuvaili sen, mitä nykyisin kutsutaan Carnot-prosessiksi ja todisti ajatuskokeella että, mikä tahansa lämpövoimaprosessi, joka toimii tätä paremmin on ikiliikkuja. 1820-luvulla ikiliikkuja oli kuitenkin todettu jo silloisella tietämyksellä mahdottomaksi.
Tämä lämpövoimaprosessin hyötysuhteen yläräjan määritys on ensimmäinen moderni termodynamiikan toisen pääsäännön muotoilu. Koska siihen ei liity matematiikkaa sitä käytetään yhä tutustuttamiseen toiseen pääsääntöön ja entropiaan. Carnot'n lämpövoimakoneisiin, tasapainoon ja lämpölähteisiin- sekä nieluihin keskittyvä esitys on hyvä johdanto myös asiaan läheisesti liittyvään exergian käsitteeseen.
Carnot'n aikaan 1800-luvun alkupuolella käytettiin virheellistä kalorista lämmönteoriaa, jonka kineettinen teoria korvasi vuosisadan puoliväliin mennessä. Lukuisat tieteentekijät lisäsivät matemaattisen esityksen ensimmäiseen ja toiseen termodynamiikan pääsääntöön sekä kehittivät entropian käsitteen. Näin Carnot'n höyrykoneesta alkanut työ on päätynyt kaikkein universaalimpaan fysiikan lakiin. Entropiaa ja toista pääsääntöä käytetään kvanttifysiikassa ja kosmologiassa sekä kaikessä tältä väliltä.
Gibbs
1870-luvulla Josiah Willard Gibbs yhtenäisti suureen määrän 1800-luvun termokemiaa yhteen kompaktiin teoriaan. Gibbsin teoria sisälsi uuden käsitteen, kemiallisen potentiaalin. Tämä aiheuttaa muutoksen kuten termodynaaminen potentiaali. Gibbsin yhtenäisteoria, johti termodynaamisen potentiaalin tilafunktioon, joka kuvaa eron termodynaamisesta tasapainosta.
1873 Gibbs muotoili "kappaleen ja väliaineen käytettävissä olevan energian" matemaattisesti, muotoon joka sillä on myös nykyisin. Exergian kuvaava fysiikka on muuttunut vähän siitä lähtien. Termin exergia esitti 1956 Zoran Rant Se muodostuu kreikan sanoista ex ja ergon jotka tarkoittavat työstä.
Yhteenveto
Exergia on mitta systeemin potentiaalille aiheuttaa muutosta systeemin muuttuessa tasapainoon ympäristönsä kanssa. Kun systeemi on saavuttanut ympäristönsä tilan sen exergia on nolla, eikä se voi enää aiheuttaa muutosta. Tätä sanotaan systeemin kuolleeksi tilaksi.
Toisin kuin energia, joka säilyy kiertoprosesseissa, palautumaton kierto vähentää exergiaa. Tämä exergian väheneminen on suhteessa entropian lisääntymiseen systeemin ja sen ympäristön kokonaisuudessa. Exergia on siis systeemin ja sen ympäristön yhteinen ominaisuus. Tästä syystä exergia ei ole termodynaaminen aineen ominaisuus eikä systeemin termodynaaminen potentiaalikaan. Kuitenkin se on kaikkein käyttökelpoisin näiden arvojen sovellus ja lasketaan näiden pohjalta. Exergian ja energian yksikkö on sama kuin työn eli Joule. Exergia ja energia ovat tilafunktioita, vaikka työ ei sitä ole.