Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Ισοζυγία Εξέργειας – Λογιστική 2ου Θερμοδυναμικού Νόμου

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "Ισοζυγία Εξέργειας – Λογιστική 2ου Θερμοδυναμικού Νόμου"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Ισοζυγία Εξέργειας – Λογιστική 2ου Θερμοδυναμικού Νόμου
Ένας κόσμος αντιθέσεων “H εξέργεια είναι το σε κάθε άλλη μορφής Ενέργειας μετατρέψιμο, κομμάτι της Ενέργειας” H.D. Baehr, 1965 Ευθύμης Μπαλωμένος Διδάκτωρ Σχολής Μηχ Μεταλλείων-Μεταλλουργών

2 Diesel Fuel 0.62 kg

3

4 Θερμοδυναμικά Συστήματα – Θερμοδυναμική Ισορροπια
Απομονωμένο Σύστημα Κλειστό Σύστημα Ανοιχτό Σύστημα Θερμοδυναμικές δυνάμεις Εντασιακές Ιδιότητες: Διαφορές εντασιακών ιδιοτήτων οδηγούν σε μεταβολές εκτασιακών ιδιοτήτων Εκτασιακές Ιδιότητες: Εξαφάνιση των θερμοδυναμικών δυνάμεων οδηγεί στην θερμοδυναμική ισορροπία (=φυσική τάση όλων των συστημάτων) Θερμοδυναμικές Ροές Κατά την μετάβαση στην θερμοδυναμική ισορροπία ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΕΝΤΡΟΠΙΑ Ρυθμός παραγωγής εντροπίας:

5 Εντροπία - 2ος Θερμοδυναμικός νόμος
Εντροπία - 2ος Θερμοδυναμικός νόμος Μικροσκοπικά / κβαντομηχανικά το σύστημα Α μπορεί να υπάρχει σε Ω(E,V,ni) διαφορετικές αλλά μακροσκοπικά ισοδύναμες καταστάσεις (=δηλαδή για εμάς έχουν ίδιο Τ, p, μ, …) Αφού όλες οι καταστάσεις είναι ισοπίθανες τότε Η εντροπία είναι μέγιστη όταν η πληροφορία που απαιτείται για να περιγράψει το σύστημα (Ω) είναι μέγιστη Το σύστημα είναι σε πλήρη αταξία. 2ος Θερμοδυναμικός νόμος: Όλα τα απομονωμένα συστήματα τείνουν προς τις δομές που πραγματοποιούνται με τους περισσότερους δυνατούς τρόπους 2ος Θερμοδυναμικός νόμος: Όλα τα απομονωμένα συστήματα τείνουν να μεγιστοποιήσουν τον αριθμό των μακροσκοπικά ισοδύναμων καταστάσεων τους (Ω) Αν υπήρχε μόνο μια δυνατή κατάσταση για το σύστημα (απόλυτη τάξη) τότε η πληροφορία που απαιτείται για την περιγραφή του είναι ελάχιστη. Αύξηση πληροφορίας Αύξηση αταξίας Η δυνατότητα αποθήκευσης πληροφορίας εντός του συστήματος είναι μέτρο της τάξης και της δομής του Information Capacity – Δυνατότητα αποθήκευσης πληροφορίας εντός του συστήματος (σε μονάδες bits) Ένα bit πληροφορίας στους 25oC ισοδυναμεί / περιέχει J Negentropy Αντιεντροπία (Σ)

6 Εσωτερική και Εξωτερική Παραγωγή Εντροπίας
Απομονωμένο Σύστημα Ανοιχτό Σύστημα Σύστημα Α Σύστημα Α Περιβάλλον Αο Περιβάλλον Αο Συνολικά Συνολικά Αν η ροή εντροπίας από το σύστημα στο περιβάλλον είναι αρνητική και μάλιστα αριθμητικά μεγαλύτερη από την εσωτερικά παραγόμενη εντροπία, τότε το σύστημα θα μειώσει την εντροπία του. Η συνολική εντροπία συστήματος – περιβάλλοντος δεν θα μειωθεί σε κάθε περίπτωση

7 Ανακεφαλαίωση 2ος Θερμοδυναμικός Νόμος
Οι διαφορές στις εντασιακές ιδιότητες συστήματος – περιβάλλοντος (θερμοδυναμικές δυνάμεις) Προκαλούν θερμοδυναμικές ροές Οδηγούν στην θερμοδυναμική ισορροπία παράγοντας εντροπία Η εντροπία είναι μέτρο της πληροφορίας που απαιτείται για να περιγράψουμε το σύστημα 2ος Θερμοδυναμικός Νόμος Αυθόρμητα όλα τα συστήματα τείνουν στην θερμοδυναμική ισορροπία Η συνολική εντροπία συστήματος – περιβάλλοντος αυξάνει

8 Δομές Διασκόρπισης Ενέργειας (Dissipative Structures)
Κι όμως στο περιβάλλον μας… Θερμοκρασία Υπάρχουν πολλά συστήματα που διατηρούνται μακριά από την κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας με το περιβάλλον τους Επιφάνειας ήλιου: 5778 Κ «Κενού» Διαστήματος: 2.7 Κ Επιφάνειας γής: 287 Κ Ανθρώπινου οργανισμού: 310 Κ Με την συνεχή κατανάλωση εξωτερικής ενέργειας και ύλης 1ος Θερμοδυναμικός νόμος: Η ενέργεια είναι διατηρήσιμη Μοριακό βάρος Νερού: 18 Πρωτεΐνης: της τάξεως 105 Με την συνεχή υποβάθμιση της ποιότητας της εξωτερικής ενέργειας και ύλης Πυκνότητα Φλοιού γής: 2.5 gr/cm3 2ος Θερμοδυναμικός νόμος: Η ποιότητα της ενέργειας (και της ύλης) υποβαθμίζεται σε κάθε μη αντιστρεπτή διεργασία Πυρήνα γής: 13 gr/cm3

9 Φυσική Σημασία Εξέργειας
Η ενέργεια και η ύλη είναι φορείς ποιότητας, και μέρος αυτής της ποιότητας καταστρέφεται σε κάθε πραγματική διεργασία Yψηλή Εξέργεια Ενέργεια / ύλη π.χ. ηλιακή ακτινοβολία (μικρό μήκος κύματος), πετρέλαιο Σύστημα (π.χ. πλανήτης γή ή μηχανή εσωτερικής καύσης) π.χ. βαθμός γνώσης του συστήματος (πιθανές καταστάσεις του) πληροφορία Μέτρο της ποιότητας της ενέργειας και της ύλης είναι η εξέργεια, η οποία μετριέται σε μονάδες ενέργειας. Ποιότητα ενέργειας, ύλης Εξέργεια (Β) Xαμηλή Εξέργεια Ενέργεια / ύλη π.χ. θερμότητα (μεγάλο μήκος κύματος), καυσαέρια Η ροή εξέργειας δημιουργεί και διατηρεί δομές μακριά από την θερμοδυναμική ισορροπία Βin > Βout (ή της οδηγεί σε αυτήν όταν η ροή εξαντλείται -Decaying structure)

10 Θερμοδυναμικός Ορισμός Εξέργειας
Θερμοδυναμικός Ορισμός Εξέργειας H εξέργεια ενός συστήματος σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον είναι το μέγιστο έργο που μπορεί να εξαχθεί από το σύστημα μέσα σε αυτό το περιβάλλον. Το «ξοδευμένο» κομμάτι της εξέργειας ονομάζεται ανέργια

11 Μετάβαση στη θερμοδυναμική ισορροπία (Δομές Αποσύνθεσης)
Μετάβαση στη θερμοδυναμική ισορροπία (Δομές Αποσύνθεσης) Εξέργεια συστήματος Α στο περιβάλλον Αο Η εξέργεια μετρά την αντίθεση του συστήματος από το περιβάλλον του Negentropy – Αντιεντροπία (Σ) Η εξέργεια και η αντιεντροπία μετρούν την ποιότητα / απόκλιση / περίσσια πληροφορίας ενός συστήματος σε σχέση με το περιβάλλον του Σύστημα σε θερμοδυναμική ισορροπία με το περιβάλλον

12 Θερμοδυναμικός Ορισμός Εξέργειας
Σε υποπεριπτώσεις κλειστών συστημάτων η εξέργεια έχει ήδη οριστεί Ελεύθερη ενέργεια κατά Gibbs Ελεύθερη ενέργεια κατά Helmholz Ενθαλπία Μέγιστο έργο, αντιστρεπτό έργο, ιδεατό έργο, ελεύθερη ενέργεια, διαθέσιμη ενέργεια, εσέργεια, … Η εξέργεια είναι το μέγεθος το οποίο αναζητούσε (αρχικά) η επιστήμη της θερμοδυναμικής

13 ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Β = 0,
Ένας Κόσμος Αντιθέσεων “The Dead State” Οι εντασιακές ιδιότητες του συστήματος καθορίζονται από το περιβάλλον του ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Β = 0, Δυνατότητα παραγωγής έργου = 0 Η αντίθεση δημιουργεί ένταση, την προϋπόθεση για την παραγωγή σύγκρουσης / έργου / χρόνου Οι δομές διασκόρπισης καταναλώνουν εισερχόμενη εξέργεια για να διατηρούν «ζωντανές» τις αντιθέσεις τους, ώστε να είναι σε θέση να παράγουν έργο. Στην βιομηχανία δαπανάμε εξέργεια για να διατηρούμε τους αντιδραστήρες σε συνθήκες κατάλληλες (σε υψηλή αντίθεση με το περιβάλλον) για την παραγωγή του προϊόντος (έργο) Η εξέργεια επομένως αποτελεί το ιδανικό μέτρο σύγκρισης διεργασιών συνδυάζοντας την απόδοση με την οικολογία Η εξάλειψη της αντίθεσης (contrast) αποδυναμώνει την σύνθεση

14 Vs Ενέργεια Εξέργεια Εν + έργον : το έργο στο εσωτερικό
Εκ + έργον : το έργο στο εξωτερικό Είναι κίνηση ή δυνατότητα για κίνηση Είναι διατηρήσιμη σε όλες τις διεργασίες Μεγαλύτερη από το μηδέν Ανεξάρτητη από το περιβάλλον Εκφράζει την ποσότητα Είναι έργο ή δυνατότητα για έργο (έργο = οργανωμένη κίνηση) Είναι διατηρήσιμη μόνο σε αντιστερπτές διεργασίες Μηδενίζεται στην θερμοδυναμική ισορροπία Εξαρτάται από το περιβάλλον Εκφράζει την ποιότητα Η ποιότητα της ενέργειας συνδέεται με το μέγεθος τον αλλαγών που μπορεί να επιφέρει σε ένα σύστημα Δείκτης ποιότητας (εξέργεια) Μορφή ενέργειας Δυναμική 100% Κινητική 100% Ηλεκτρική 100% Μαγνητική 100% Πυρηνική % Ηλιακή ακτινοβολία 95% Χημική % Ατμός (θερμική + κινητική) 60% Θερμική ακτινοβολία 5% Θερμική ακτινοβολία γής 0% Order H μη-οργανωμένες μορφές ενέργειας δεν μπορούν να μετατραπούν ΠΟΤΕ 100% σε έργο. Η μέγιστη απόδοση που μπορεί να επιτευχθεί εξαρτάται από το σχέση φορέα ενέργειας-περιβάλλον Διαθέσιμο ποσοστό για έργο (σε ιδεατές συνθήκες) Wmax = B = Q (Τ – Το)/Τ Disorder

15 Ισοζύγιο Ενέργειας και Εξέργειας
Μετατροπή χημικής σε θερμική (αδιαβατική καύση πετρελαίου Τ ≈ 2150 C, λιγνίτη Τ ≈ 2200 C, φυσικού αερίου Τ ≈ 2000 C) Μετατροπή θερμικής σε κινητική + θερμική (ατμός Τ ≈ 80 C) Μετατροπή κινητικής σε ηλεκτρική Απόρριψη θερμότητας στο περιβάλλον 3 2 1 Το ισοζύγιο ενέργειας δεν περιέχει πληροφορίες για το μέγιστο δυνατό έργο που μπορεί να παραχθεί από μια πηγή ενέργειας ή για το έργο που χάνεται σε κάθε μετατροπή ενέργειας 4 Μέγιστη απώλεια εξέργειας συμβαίνει από το 1 στο 2 και όχι εκεί όπου συμβαίνει η μέγιστη απώλεια ενέργειας (4) Βελτιστοποίηση διεργασίας: Παραγωγή ατμού με διαφορετικό τρόπο (π.χ. συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας) ή αλλαγή διεργασίας με απευθείας μετατροπή χημικής σε ηλεκτρική ενέργεια - fuel cells

16 Εξέργεια Ύλης (Χημική Εξέργεια)
Χημικό δυναμικό i συστατικού στο σύστημα Χημικό δυναμικό i συστατικού στο περιβάλλον Συγκέντρωση i συστατικού στο σύστημα Συγκέντρωση i συστατικού στο περιβάλλον Μορφή ύλης Δείκτης ποιότητας (εξέργεια) Πρότυπη χημική εξέργεια του i Ύλη καλά δομημένη (π.χ. άνθρακας ως διαμάντι) 100% Ύλη ως καταναλωτικό αγαθό (π.χ. καθαρός χρυσός, μόλυβδος) 100% Ύλη ως μίγμα υλικών (π.χ. ατσάλι, κράματα, πλαστικά) ≈ 90% Πλούσια κοιτάσματα % Μετάλλευμα ≈ 50% Φτωχά κοιτάσματα % Ορυκτά διαλυμένα στο νερό ή στο έδαφος ≈ 0% Η εξέργεια μιας ποσότητας ενός υλικού είναι η ποσότητα εξέργειας που απαιτείται για την σύνθεση αυτού του υλικού από το περιβάλλον με αντιστρεπτές διεργασίες

17 Πρότυπη Χημική Εξέργεια
Υποθετική Αντίδραση Πρότυπες Συνθήκες (0) Συνθήκες αναφοράς (0ref) Στοιχεία Χημική ένωση (αυθαίρετος θερμοδυναμικός ορισμός–τα στοιχεία δεν δημιουργούνται / καταστρέφονται σε χημικές αντιδράσεις) Πρότυπη ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού κατά Gibbs Τα στοιχεία δεν είναι σε ισορροπία με το περιβάλλον (π.χ. δεν συναντώνται σε στοιχειακή μορφή ) Για σταθερή πίεση και θερμοκρασία Σε χημική ισορροπία με το περιβάλλον θα μπορούσαμε να θεωρήσουμε εκείνες τις χημικές μορφές των στοιχείων, που συναντώνται πιο συχνά στη φύση (π.χ. Η2 στο Η2Ο) Πρότυπη εξέργεια στοιχείων Πρότυπη εξέργεια χημικής ένωσης Η εξέργεια στοιχειοθετεί μια νέα κλίμακα αναφοράς, βασισμένη στο περιβάλλον Κατάσταση/Ένωση Αναφοράς Στοιχείου στο περιβάλλον

18 Εξέργεια Ύλης (Χημική Εξέργεια)
Ορίζεται σαν κατάσταση αναφοράς ενός στοιχείου στο περιβάλλον, η ένωση του στοιχείου που είναι πιο κοινή σε αυτό, και στη συγκέντρωση περιβάλλοντος ορίζεται η εξέργεια αυτής της ένωσης μηδέν, bk = 0 Στοιχείο Κατάσταση Αναφοράς Συγκέντρωση Εξέργεια Κατάστασης Αναφοράς Οξυγόνο (Ο) Ο2(g) (ατμόσφαιρα) 20.4% της ατμόσφαιρας Γραμμομοριακό κλάσμα στη λιθόσφαιρα 7.7 x 10-4 Σίδηρος (Fe) Fe2Ο3(s) (φλοιός γης) Εξέργεια που απαιτείται για να παραχθεί μεταλλικός Fe από Fe2O3 του «μεταλλεύματος» της λιθόσφαιρα με αντιστρεπτές διεργασίες

19 Εξέργεια Ύλης (Χημική Εξέργεια)
Η χημική εξέργεια ποσοτικοποιεί την «χημική» ποιότητα της ύλης σε σχέση πάντα με το περιβάλλον μας Η ελεύθερη ενέργεια κατά Gibbs δεν προσφέρεται για συγκρίσεις της αξίας της ύλης Α.Ο.: 0 Α.Ο.: +2 Ποιότητα ύλης σε οξειδωτικό περιβάλλον Εξέργεια (Β) Α.Ο.: +2, +3 Α.Ο.: +3 Η παραγωγή μεταλλικού Fe από αιματίτη απαιτεί την κατανάλωση 369 kJ/mol Fe ή 6605 kJ/kg Fe εξέργειας Η ιδεατή παραγωγή μεταλλικού Fe από (καθαρό) αιματίτη με αντιστρεπτές διεργασίες θα απαιτούσε μετατροπή ενέργειας 6605 kJ ανά kg Fe Η παραγωγή ατσαλιού σήμερα καταναλώνει περίπου kJ/kg Fe εξέργειας

20 bel

21 Βιομηχανική Διεργασία
Κατανάλωση Φυσικών Πόρων Μια κοινωνία που καταναλώνει την εξέργεια των φυσικών της πόρων γρηγορότερα από ότι αυτή αναπληρώνεται είναι καταδικασμένη! Εξάντληση Φυσικών Πόρων Καταστροφή Περιβάλλοντος (αλλαγή ιδιοτήτων) Ένα υλικό είναι τόσο χρήσιμο όσο μεγαλύτερη εξέργεια/ πληροφορία/ χαμηλότερη εντροπία έχει από το περιβάλλον Φυσική Διεργασία Βιομηχανική Διεργασία «Κοινωνιόσφαιρα» Ατμόσφαιρα Ατμόσφαιρα, Υδρόσφαιρα Βιόσφαιρα Υδρόσφαιρα Λιθόσφαιρα Λιθόσφαιρα Η βιομηχανική διεργασία ελέγχεται από δύο οριακές συνθήκες: την οικονομία και την θερμοδυναμική.

22 Αειφόρος Ανάπτυξη: Αειφόρος Ανάπτυξη:
Εξεγερτική Ανάλυση Κύκλου Ζωής (Life Cycle Exergetic Analysis) Αειφόρος Ανάπτυξη: η ικανοποίηση των αναγκών του παρόντος χωρίς την υποθήκευση της ικανότητας ικανοποίησης των αναγκών του μέλλοντος π.χ. ηλεκτρική ενέργεια Αειφόρος Ανάπτυξη: Μονάδες που χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με τέτοιο τρόπο ώστε το σύνολο της καταναλωθείσας εξέργειας από μη ανανεώσιμες πηγές να αναπληρώνεται μέσα στο κύκλο ζωής της μονάδας π.χ. λιγνίτης, πετρέλαιο,… Χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας «δωρεάν» εισερχόμενη εξέργεια

23 Ι Σ Ο Ζ Υ Γ Ι Ο Ε Ξ Ε Ρ Γ Ε Ι Α Σ Το ισοζύγιο εξέργειας παρέχει πληροφορίες για τις δυνατότητες βελτίωσης μιας θερμοδυναμικής διεργασίας Η εξεργειακή απόδοση μιας διεργασίας είναι δείκτης του βαθμού «ατέλειάς» της Η εξέργεια ενός προϊόντος/ παραπροϊόντος μπορεί να χρησιμεύσει και σαν μια προσέγγιση της «απόλυτης» αξίας αυτού του προϊόντος (αξία βάση της «χρησιμότητάς» του και όχι βάση της ζήτησής του) Η συνολική εξεργειακή κατανάλωση μη-ανανεώσιμων φυσικών πόρων για την παραγωγή ενός προϊόντος είναι μέτρο του οικολογικού του κόστους Σημαντικός -πλέον- ατμοσφαιρικός ρύπος Σήμερα ήδη γίνεται αποτίμηση αγαθών και υπηρεσιών βάση της ποσότητας CO2 που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα κατά την παραγωγή και λειτουργία τους Δείκτης κατανάλωσης μη-ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (καύση Η/C)


Κατέβασμα ppt "Ισοζυγία Εξέργειας – Λογιστική 2ου Θερμοδυναμικού Νόμου"

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google