Эксергия- это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой

Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы от его значения в окружающей среде.

Энергия характеризуется не только количеством, но и качеством. Для создания энергии более высокого качества необходимы затраты энергии более низкого качества. Поток сол­нечной энергии, вовлекаемый в цепь превращений в биосфере, образует порядок и повышает эксергию некоторой части энергии.

В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которой должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии. Следует оговориться, что обычные калориметры, которые применяются для измерения количества энергии, непригодны для измерения ее качества.

Преобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений всегда сопровождается уменьшением количества и повышением качества аккумулированной на каждом этапе энергии (рис. 4.3, 4.4).

Повышение качества энергии >

Рис. 4.3. Изменение количества и качества энергии в пищевой цели (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)

На рис. 4.3 показано, что количество энергии, поступающей от Солнца, на каждом последующем уровне снижаете}, но качество ее возрастает. Чтобы образовалась 1 ккал биомассы растения, требуется приблизительно в 10 раз меньше килокалорий солнеч-ного света, чем для образования 1 ккал биомассы растительноядного животного. Способность совершать работу единицы биомассы живот­ного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений.

- Понижение количества энергии >

Повышение качества энергии —>

Рис. 4.4. Изменение количества и качества энергии в цепи генерации электричества (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)

Рабочий потенциал электрической энергии также во много раз выше рабочего потенциала древесины.

Показанные на рис. 4.3 и 4.4 схемы, конечно, условны. Многие исследователи пытались произвести расчеты количества энергии, аккумулированной на каждом трофическом уровне, в реальных экологических системах. Приведем некоторые данные для разных экосистем (рис. 4.5): поля люцерны (Ю. Одум, 1975), горячего источника Сильвер-Спрингс в шт. Флорида (Ф. Дре, 1976), озера Каюга в США (П. Рейвн и др., 1990), реки в Африке (В. Klimuszko, 1995).

Рис. 4.5. Изменения количества и качества энергии в природных экосистемах на разных трофических уровнях

Из рисунка видно, что количество солнечной энергии при превращении ее в биомассу растений и далее в биомассу травояд­ных и хищников на каждом этапе уменьшается на один-два порядка. Соответственно и качество ее по сравнению с качеством солнечной энергии увеличивается на 1-2 порядка.

В сущности, качество энергии измеряется длиной пути, пройден­ного ею от Солнца.

В табл. 4.1 показано число килокалорий некоторых видов энергии, необходимое для получения 1 ккал условного топлива. Таблица позволяет также выразить энергию различных видов в эквиваленте условного топлива.

Таблица 4.1

Затраты энергии разного вида на получение 1 ккал условного топлива (по Г. Одуму, Э. Одуму, 1978)

	Затраты энергии на	Эквивалент условного
Источник энергии	получение 1 ккал	топлива на 1 ккал
	условного топлива, ккал	(тепловую)
Рассеянная
тепловая энергия	10 000	0,0001
Солнечный свет	2 000	0,0005
Биомасса растений		0,05
Древесина		0,5
Каменный уголь, нефть
Электроэнергия	0,25

Следовательно, рабочий потенциал ископаемого топлива в 2000 раз выше, чем рабочий потенциал солнечного света, но в 4 раза ниже рабочего потенциала электроэнергии. Чтобы солнеч­ный свет выполнял работу, равную работе, производимой углем или нефтью, его надо сконцентрировать или повысить его качество в 2000 раз. Люди не смогут перевести автомобили на солнечную энергию до тех пор, пока не найдут дешевого способа повышать ее качество. Для этого потребуются пока еще не разработанные дорогостоящие технологии и гелиотехника.

Использование энергии в биосфере определяется коли­чественным распределением и ее качеством. Солнечный свет падает на планету с энергией 2 кал^.см²/мин(солнечная постоянная), но, проходя через атмосферу, он_ ослабляется, и даже в ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67 %, т. е. 1,34 кал^.см²мин^-1. Судьба солнечной энергии в биосфере такова: отражается 30 %, превращается в теплоту 46 %, расходуется на испарение воды, осадки 23 %, преобразуется в энергию ветра, волн, течений 0,2 %, идет на фотосинтез 0,8 %.

Клетки растений, связывая на свету СO₂ и Н₂O, образуют гидраты углерода (СН₂O) - строительные блоки органических веществ, обладающие высокой эксергией, а экспортируемая в космическое пространство рассеянная энергия снижает свою эксергию. Под воздействием определенных условий (температуры, давления и др.) в течение тысяч и миллионов лет органические вещества превращались в торф, уголь, нефть, т. е. энергия накапли­валась в виде ископаемого топлива. В XX веке эти запасы интен­сивно эксплуатировались для обеспечения жизни искусственных систем, созданных человеком: городов, заводов, машин, автомобилей и т. п. Уже сейчас в поисках новых месторождений топлива мы все глубже вгрызаемся в землю, уxодим в море. Поэтому освоение таких ресурсов становится все более дорогостоящим. Огромная работа, выполняемая биосферой (сохранение и развитие жизни, накопление горючиx ископаемыx и др.) за счет небольшого количества (0,8 %) сконцентрированной растениями солнечной энергии, объясняется высокой эксергией аккумулированной части энергии.

В эпоху открытий новых источников ископаемого топлива большинство людей не понимают, что концентрированная энергия, необходимая для поддержания жизнедеятельности городов и всего общества, потребует рано или поздно, разработки способов концентрации энергии. Энергия высокой концентрации совершает больший объем работы, управляет большим числом процессов. Чтобы сконцентрировать энергию, разные виды ее должны взаимодействовать. действовать.

Но, пока недостаточно разработаны технологии концентрации энергии, возможно использовать и низкокачественную энергию для «низкокачественных работ»; например, солнечную энергию для отопления зданий.

Дата добавления: 2014-01-04