Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Ισοζυγία Εξέργειας – Λογιστική 2 ου Θερμοδυναμικού Νόμου Ένας κόσμος αντιθέσεων “H εξέργεια είναι το σε κάθε άλλη μορφής Ενέργειας μετατρέψιμο, κομμάτι.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "Ισοζυγία Εξέργειας – Λογιστική 2 ου Θερμοδυναμικού Νόμου Ένας κόσμος αντιθέσεων “H εξέργεια είναι το σε κάθε άλλη μορφής Ενέργειας μετατρέψιμο, κομμάτι."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Ισοζυγία Εξέργειας – Λογιστική 2 ου 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 Απομονωμένο Σύστημα Κλειστό ΣύστημαΑνοιχτό Σύστημα Εντασιακές Ιδιότητες: Εκτασιακές Ιδιότητες: Διαφορές εντασιακών ιδιοτήτων οδηγούν σε μεταβολές εκτασιακών ιδιοτήτων Θερμοδυναμικές δυνάμεις Θερμοδυναμικές Ροές Εξαφάνιση των θερμοδυναμικών δυνάμεων οδηγεί στην θερμοδυναμική ισορροπία (=φυσική τάση όλων των συστημάτων) Ρυθμός παραγωγής εντροπίας: Κατά την μετάβαση στην θερμοδυναμική ισορροπία ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΕΝΤΡΟΠΙΑ Θερμοδυναμικά Συστήματα – Θερμοδυναμική Ισορροπια

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

6 Απομονωμένο Σύστημα Ανοιχτό Σύστημα Σύστημα Α Περιβάλλον Α ο Συνολικά Σύστημα Α Περιβάλλον Α ο 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 Εσωτερική και Εξωτερική Παραγωγή Εντροπίας

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

8 Κι όμως στο περιβάλλον μας… Θερμοκρασία Επιφάνειας ήλιου: 5778 Κ «Κενού» Διαστήματος: 2.7 Κ Επιφάνειας γής: 287 Κ Ανθρώπινου οργανισμού: 310 Κ Μοριακό βάρος Νερού: 18 Πρωτεΐνης: της τάξεως 10 5 Υπάρχουν πολλά συστήματα που διατηρούνται μακριά από την κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας με το περιβάλλον τους Πυκνότητα Φλοιού γής: 2.5 gr/cm 3 Πυρήνα γής: 13 gr/cm 3 Με την συνεχή κατανάλωση εξωτερικής ενέργειας και ύλης 1 ος Θερμοδυναμικός νόμος: Η ενέργεια είναι διατηρήσιμη Με την συνεχή υποβάθμιση της ποιότητας της εξωτερικής ενέργειας και ύλης 2 ος Θερμοδυναμικός νόμος: Η ποιότητα της ενέργειας (και της ύλης) υποβαθμίζεται σε κάθε μη αντιστρεπτή διεργασία Δομές Διασκόρπισης Ενέργειας (Dissipative Structures)

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

10 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 Θερμοδυναμικός Ορισμός Εξέργειας

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

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

13 Η αντίθεση δημιουργεί ένταση, την προϋπόθεση για την παραγωγή σύγκρουσης / έργου / χρόνου Η εξάλειψη της αντίθεσης (contrast) αποδυναμώνει την σύνθεση ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Β = 0, Δυνατότητα παραγωγής έργου = 0 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 “The Dead State” Οι εντασιακές ιδιότητες του συστήματος καθορίζονται από το περιβάλλον του Ένας Κόσμος Αντιθέσεων

14 Ενέργεια Εξέργεια  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 Εν + έργον : το έργο στο εσωτερικόΕκ + έργον : το έργο στο εξωτερικό Μορφή ενέργειας Δυναμική100% Κινητική100% Ηλεκτρική100% Μαγνητική100% Πυρηνική 99% Ηλιακή ακτινοβολία 95% Χημική 95% Ατμός (θερμική + κινητική) 60% Θερμική ακτινοβολία 5% Θερμική ακτινοβολία γής 0% Δείκτης ποιότητας (εξέργεια) Διαθέσιμο ποσοστό για έργο (σε ιδεατές συνθήκες) 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 Order Disorder Vs W max = B = Q (Τ – Το)/Τ Η ποιότητα της ενέργειας συνδέεται με το μέγεθος τον αλλαγών που μπορεί να επιφέρει σε ένα σύστημα

15 1.Μετατροπή χημικής σε θερμική (αδιαβατική καύση πετρελαίου Τ ≈ 2150 C, λιγνίτη Τ ≈ 2200 C, φυσικού αερίου Τ ≈ 2000 C) 2.Μετατροπή θερμικής σε κινητική + θερμική (ατμός Τ ≈ 80 C) 3.Μετατροπή κινητικής σε ηλεκτρική 4.Απόρριψη θερμότητας στο περιβάλλον 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 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 Ισοζύγιο Ενέργειας και Εξέργειας

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 Η εξέργεια μιας ποσότητας ενός υλικού είναι η ποσότητα εξέργειας που απαιτείται για την σύνθεση αυτού του υλικού από το περιβάλλον με αντιστρεπτές διεργασίες Μορφή ύλης 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 κοιτάσματα50-80% Μετάλλευμα ≈ 50% Φτωχά κοιτάσματα20-50% Ορυκτά διαλυμένα στο νερό ή στο έδαφος ≈ 0% Δείκτης ποιότητας (εξέργεια) Πρότυπη χημική εξέργεια του i

17 ΣτοιχείαΧημική ένωση Συνθήκες αναφοράς ( 0 ref ) Πρότυπες Συνθήκες ( 0 ) (αυθαίρετος θερμοδυναμικός ορισμός–τα στοιχεία δεν δημιουργούνται / καταστρέφονται σε χημικές αντιδράσεις) Για σταθερή πίεση και θερμοκρασία Πρότυπη ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού κατά Gibbs Πρότυπη εξέργεια χημικής ένωσης Πρότυπη εξέργεια στοιχείων Υποθετική Αντίδραση Τα στοιχεία δεν είναι σε ισορροπία με το περιβάλλον (π.χ. δεν συναντώνται σε στοιχειακή μορφή ) Πρότυπη Χημική Εξέργεια Σε χημική ισορροπία με το περιβάλλον θα μπορούσαμε να θεωρήσουμε εκείνες τις χημικές μορφές των στοιχείων, που συναντώνται πιο συχνά στη φύση (π.χ. Η 2 στο Η 2 Ο) Κατάσταση/Ένωση Αναφοράς Στοιχείου στο περιβάλλον Η εξέργεια στοιχειοθετεί μια νέα κλίμακα αναφοράς, βασισμένη 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, b k = 0 Οξυγόνο (Ο) Εξέργεια Κατάστασης Αναφοράς Στοιχείο Κατάσταση Αναφοράς Ο 2(g) (ατμόσφαιρα) 20.4% της ατμόσφαιρας Συγκέντρωση Σίδηρος (Fe) Fe 2 Ο 3(s) (φλοιός γης) Γραμμομοριακό κλάσμα στη λιθόσφαιρα 7.7 x Εξέργεια που απαιτείται για να παραχθεί μεταλλικός Fe από Fe 2 O 3 του «μεταλλεύματος» της λιθόσφαιρα με αντιστρεπτές διεργασίες

19 Εξέργεια Ύλης (Χημική Εξέργεια) Α.Ο.: +3 Α.Ο.: +2, +3 Α.Ο.: +2 Α.Ο.: 0 Ποιότητα ύλης σε οξειδωτικό περιβάλλον Εξέργεια (Β) 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 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

20 b el

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

22 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 Αειφόρος Ανάπτυξη: η ικανοποίηση των αναγκών του παρόντος χωρίς την υποθήκευση της ικανότητας ικανοποίησης των αναγκών του μέλλοντος Εξεγερτική Ανάλυση Κύκλου Ζωής (Life Cycle Exergetic Analysis) π.χ. λιγνίτης, πετρέλαιο,… Χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας «δωρεάν» εισερχόμενη εξέργεια π.χ. ηλεκτρική ενέργεια

23  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 Ι Σ Ο Ζ Υ Γ Ι Ο Ε Ξ Ε Ρ Γ Ε Ι Α Σ Σήμερα ήδη γίνεται αποτίμηση αγαθών και υπηρεσιών βάση της ποσότητας CO 2 που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα κατά την παραγωγή και λειτουργία τους Σημαντικός -πλέον- ατμοσφαιρικός ρύπος Δείκτης κατανάλωσης μη-ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (καύση Η/C)


Κατέβασμα ppt "Ισοζυγία Εξέργειας – Λογιστική 2 ου Θερμοδυναμικού Νόμου Ένας κόσμος αντιθέσεων “H εξέργεια είναι το σε κάθε άλλη μορφής Ενέργειας μετατρέψιμο, κομμάτι."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google