Exergie

În termodinamică , exergia este o cantitate fizică care face posibilă măsurarea calității unei energii . Aceasta este partea utilizabilă a unui joule . Maxim recuperabil muncii este deci egală cu opusul variației exergie în timpul transformării. Un sistem la echilibru termomecanic sau chimic nu mai are nicio valoare. Cu cât un sistem este mai departe de echilibrul ambiental, cu atât este mai capabil să efectueze o schimbare, o aptitudine de care depinde utilitatea unei energii.

Dacă în conformitate cu primul principiu al termodinamicii cantitatea de energie este conservată, calitatea acestei energii, exergia, pe de altă parte, nu poate scădea decât în ​​timpul unei transformări. Exergia distrusă în timpul unei reacții se numește „anergie”.

Acest fenomen este legat de entropia sistemului și a mediului său, care, conform celui de-al doilea principiu al termodinamicii, nu poate crește decât în ​​timpul unei transformări reale, nereversibile, în timp ce exergia scade în timpul unei astfel de transformări.

Definiție generală

Prin definiție, exergia unui sistem este zero atunci când se află în echilibru termodinamic cu mediul său.

Acest sold include:

• echilibrul mecanic cu forțe externe , inclusiv cele ale presiunii  ;
• echilibrul termic cu temperatură exterioară;
• echilibrului chimic între potențialele chimice ale speciilor prezente în sistem și în mediul înconjurător.

Dacă considerăm că mediul extern este invariant (în special temperatura acestuia ), devine posibil să considerăm că exergia este o funcție a stării  : valoarea sa, munca maximă pe care sistemul o poate oferi către exterior, nu depinde de fapt numai pe starea de echilibru în care este situat sistemul și pe constantă . TeXt{\ displaystyle T_ {ext}}TeXt{\ displaystyle T_ {ext}}

Pentru alți autori, exergia nu este o funcție a stării sistemului deoarece

este definit de: F0=U+p0V-T0S-∑euμeu,oNUeu{\ displaystyle F_ {0} = U + p_ {0} V-T_ {0} S- \ sum _ {i} \ mu _ {i, o} N_ {i}}. [clarificare necesară]

Exergia se formează:

• parametrilor referitori la sistem:
  • U{\ displaystyle U}, energie internă , în jouli,
  • S{\ displaystyle S}, entropie , în jouli per kelvin,
  • V{\ displaystyle V}, volumul , în metri cubi,
  • NUeu{\ displaystyle N_ {i}}, compoziția chimică a sistemului, în alunițe;
• parametrii referitori la mediu:
  • T0{\ displaystyle T_ {0}}, temperatura înconjurătoare, în Kelvin,
  • p0{\ displaystyle p_ {0}}, presiunea înconjurătoare, în pascale,
  • μeu,0{\ displaystyle \ mu _ {i, 0}}, potențialul chimic al componentelor, în jouli pe mol.

Se remarcă faptul că aceasta depinde atât de sistem, cât și de mediul său. Alegerea literei F se datorează similarității sale cu energia liberă . F0{\ displaystyle F_ {0}}

Această funcție a fost mult studiată după Duhem (1861-1916) de Gouy (1854-1926), dar termenul „exergie” nu a fost introdus decât în ​​1956 de Zoran Rant. Un pic căzut în desuetudine, în ciuda utilizării sale de către Einstein , revine prin reflecțiile inginerului asupra deșeurilor în anii 1970, în urma șocului petrolier .

Definiții în cazuri specifice

Pentru un sistem de compoziție chimică dată, la presiune și entropie date , putem folosi entalpia H pentru a exprima exergia:

F0=H-T0S{\ displaystyle F_ {0} = H-T_ {0} S}.

Pentru un sistem de compoziție chimică dată, la temperatură și volum date , putem folosi energia liberă F  :

F0=F=U-TS{\ displaystyle F_ {0} = F = U-TS}.

Pentru un sistem de compoziție chimică dată, la temperatură și presiune date , se poate utiliza entalpia liberă G  :

F0=G=U+pV-TS{\ displaystyle F_ {0} = G = U + pV-TS}.

Considerații privind costul energiei

Analiza unui sistem prin exergie face posibilă măsurarea gradului de ireversibilitate a unei transformări într-un mediu de temperatură . Această funcție se mai numește „energie disponibilă” sau „aprovizionare cu energie” (în engleză: disponibilitate ) deoarece demonstrează că căderea sa între o stare A și o stare B este lucrarea maximă recuperabilă: T0{\ displaystyle T_ {0}}

W≤ΔF0{\ displaystyle W \ leq \ Delta F_ {0}}.

Deoarece acest lucru nu este foarte intuitiv, este util să detaliați cele 4 cazuri posibile:

1. dacă cădem energic dintr-o stare dezordonată într-o stare ordonată, nu putem recupera totalitatea , trebuie să plătim prețul pentru informațiile obținute ( , pozitive): nu putem recupera în toate acestea  ;-ΔU{\ displaystyle - \ Delta U}-T0ΔS{\ displaystyle -T_ {0} \ Delta S}-ΔU+T0ΔS{\ displaystyle - \ Delta U + T_ {0} \ Delta S}
2. dacă, dimpotrivă, cădem energic dintr-o stare ordonată într-o stare dezordonată, ar fi o risipă de colectat numai , putem colecta în plus (bonus pozitiv de neratat): ne putem recupera în toate  ;-ΔU{\ displaystyle - \ Delta U}T0ΔS{\ displaystyle T_ {0} \ Delta S}-ΔU+T0ΔS{\ displaystyle - \ Delta U + T_ {0} \ Delta S}
3. dacă trecem energic dintr-o stare dezordonată într-o stare ordonată, va trebui să plătim un preț ridicat, adică nu numai, ci și prețul informațiilor de plătit ( , pozitiv): trebuie să plătim în toate  ;ΔU{\ displaystyle \ Delta U}-T0ΔS{\ displaystyle -T_ {0} \ Delta S}ΔU-T0ΔS{\ displaystyle \ Delta U-T_ {0} \ Delta S}
4. dacă, dimpotrivă, trecem energetic dintr-o stare ordonată într-o stare dezordonată, va trebui să plătim mai puțin decât o cantitate (pozitivă): trebuie să plătim numai în toate .ΔU{\ displaystyle \ Delta U}T0ΔS{\ displaystyle T_ {0} \ Delta S}ΔU-T0ΔS{\ displaystyle \ Delta U-T_ {0} \ Delta S}

S-ar putea chiar să recuperăm munca în operație dacă starea finală este foarte dezordonată (ceea ce nu este, a priori , intuitiv): unele baterii cu mercur și calomel realizează acest miracol aparent.

De îndată ce ne dăm seama că recuperarea informațiilor fierbinți este costisitoare, totul devine destul de rezonabil: să luăm exemplul cutiei lui Maxwell  ; este bine înțeles că separarea bilelor albe și negre din fiecare compartiment este cu atât mai dificilă cu cât marginile cutiei vibrează la o temperatură ridicată . Acesta este exact prețul care trebuie plătit pentru a separa hexafluorura de uraniu-235 de izotopul său 238  : realizarea lucrării „demonului lui Maxwell” costă cu atât mai mult cu cât particulele se deplasează mai repede. T0{\ displaystyle T_ {0}}

Conceptul de potențial F 0

Desigur, dacă sistemul poate evolua doar către starea în care va fi minim și va rămâne acolo: nu starea de energie minimă este echilibrul. De asemenea, nu este maxim, deoarece sistemul poate alimenta energia înapoi la termostat. W=0{\ displaystyle W = 0}F0{\ displaystyle F_ {0}}U{\ displaystyle U}S{\ displaystyle S}

În cele din urmă, echilibrul este minimul comun , adică . U-T0S{\ displaystyle U-T_ {0} S}F0(T,V){\ displaystyle F_ {0} (T, V)}

La volum constant, dă , adică următorul rezultat intuitiv . (∂U∂S)V=T0{\ displaystyle \ left ({\ frac {\ partial U} {\ partial S}} \ right) _ {V} = T_ {0}}T=T0{\ displaystyle T = T_ {0}}

Deci echilibrul izocoric monotermal  ; acest lucru justifică faptul că în chimie folosim aproape întotdeauna energia liberă și nu exergia . F0(T,V)=F(T0,V){\ displaystyle F_ {0} (T, V) = F (T_ {0}, V)} F{\ displaystyle F}F0{\ displaystyle F_ {0}}

Exergia monobarică

Totul se generalizează în cazul unui presostat , în timpul unei transformări monotermale. Ceea ce va interveni este și toate raționamentele sunt valabile cu condiția de a vorbi despre muncă , altele decât cea a forțelor de presiune (egale cu ). p0{\ displaystyle p_ {0}}G0(T,P)=U+p0V-T0S{\ displaystyle G_ {0} (T, P) = U + p_ {0} V-T_ {0} S}W∗{\ displaystyle W ^ {*}}-p0ΔV{\ displaystyle -p_ {0} \ Delta V}

Stabilitatea echilibrului

Considerarea celei de-a doua diferențe care trebuie să fie pozitivă dă inegalități interesante, numite inegalități Le Châtelier (sau inegalități Le Châtelier - Braun ).

Notă

Deși provine din termodinamică, conceptul de exergie este, de asemenea, puternic legat de teoria informației. În consecință, este uneori aplicat în afara domeniului termodinamicii stricto sensu , de exemplu, analizei costurilor economice, biodiversității, disponibilității resurselor minerale. Vorbim apoi de exergo-economie, exergo-ecologie, eco-exergie etc.

Note și referințe

1. André Lallemand, Termodinamica aplicată - Balanțe entopice și exergice , Ediții tehnice ale inginerului , Referință BE8008,10 aprilie 2005, p.  3.

Vezi și tu

Articole similare

• Neguentropie
• Entropie
• Energie
• Emergy
• Metoda Carnot

Bibliografie

• Termodinamică și energie (Volumul 1) „De la energie la exergie”, de Lucien Borel și Daniel Favrat
• Works Göran Wall (în engleză)
• Alicia Valero Delgado, "Exergy Evolution of the mineral capital on Earth", Teză de doctorat, Universitatea din Zaragoza, 2008 (în limba engleză)
• Van Wylen: Termodinamică
• Kubo: Termodinamică
• Callen: Termodinamica
• Bruhat: Termodinamică

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">