Exergi

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
Ej att förväxla med Energi.

Inom fysik är exergi den totala mängden potentiellt arbete i ett system i en viss omgivning; betecknar energikvaliteten. Exergi förväxlas ofta med energi. Exergi är arbete, det vill säga ordnad rörelse, eller förmåga till arbete, dvs förmåga till förändring. Energi däremot är rörelse eller förmåga till rörelse, alltså inte nödvändigtvis arbete.

Exergi relateras i fysiken till termodynamikens andra lag och arbeten av Sadi Carnot från 1824 och Willard Gibbs från 1873. Ordet exergi myntades av Zoran Rant 1953 från de grekiska orden ex (yttre) och ergon (arbete).

Exergi anger någon slags kontrast och uppträder i fysiken som energi, materia och information, dvs vad som karakteriserar och vanligtvis kallas resurs och är av principiell betydelse för förståelsen av verkligheten. Ett universum av energi i fullständig jämvikt skulle inte ha någon exergi, ingen kontrast, inga skillnader, inga mönster och inga strukturer. "Tid" förlorar sin mening eftersom ingenting kan förändras. Med strukturer kommer exergi, och med strukturer i samverkan kommer exergiöverföring och förändring.

Energin bevaras alltid vid alla energiomvandlingar, det som då förbrukas är i stället dess exergi. Om exergin bevaras skulle varje förändring ske utan förluster och vara fullständigt omvändbar, dvs reversibel. Tiden skulle sakna riktning och mening. Förändringar måste ske med exergiförluster och under begränsad tid, dvs vara icke omvändbara, för att ge tiden riktning och mening.


 
System A
T
 
System A0
T0
 

Figur 1. Jämviktssystem A i sin omgivning A0.


Den exergi EW som motsvarar en värmemängd Q, tillgänglig vid temperaturen T i en omgivning med temperaturen T0 är

där systemet är utritade i figur 1 och temperaturen mäts i kelvin (K). Q är värmen som utbyts mellan systemet (joule).

Den dimensionslösa kvalitetsfaktorn q definieras som

och finns tabulerad för några energiformer i tabell 1.


Tabell 1. Kvalitetsfaktorn för olika energiformer i en standardomgivning av rumstemperatur.

Energikälla Kvalitetsfaktor
Mekanisk energi < 1,00
Elektrisk energi 1,00
Kärnbränsle 0,95
Solstrålning 0,93
Kemiska bränslen Omkring 1
Termisk energi och värmestrålning vid 300 °C * 0,49
Termisk energi och värmestrålning vid 100 °C * 0,21
Termisk energi och värmestrålning vid 40 °C * 0,06
Termisk energi och värmestrålning vid 20 °C * 0,00

* Med en omgivningstemperatur på 20 °C (293 K).

Energikvalitet med faktor 0,2 ungefär kommer ut från baksidan av en frysbox eller ur en värmepump (en frysbox är ju en värmepump) och lämpar sig oerhört väl till uppvärmning av hus. Om man värmde upp hus med den energikvaliteten skulle energianvändningen och därmed också exergiförbrukningen minskas. Ett behov av ökad elproduktion vid extremt höga effektuttag kan ibland behöva regleras med fossilkraft i vårt energisystem. Det går åt mer än 2.5 kWh kol (primärenergi) för att producera 1kWh el. För att kunna jämföra till exempel fjärrvärme med värmepumpar måste man således ta hänsyn till primärexergiförbrukningen.

Beräkning av exergi[1][redigera | redigera wikitext]

Slutna system[redigera | redigera wikitext]

Exergin, A, i ett slutet system kan beräknas enligt:

där E, V och S är systemets totala energi, volym och entropi. U0, p0, V0 och S0 är de värden som systemets inre energi, tryck, volym och entropi skulle ha i det "döda tillståndet" i vilket systemet har samma temperatur T0 och tryck p0 som omgivningen.

Skillnad i exergi, ΔA, efter en termodynamisk process har skett kan beräknas genom att applicera skillnaden på varje term i ovanstående uttryck enligt:

Detta uttryck tillsammans med energibudgeten och entropibudgeten leder till exergibudgeten enligt:

där T1 och T2 är temperaturerna före respektive efter processen, W är arbetet utfört under processen, ΔV är skillnad i volym och T0σ är destruktionen av exergi i icke-reversibla processer.

Vanligtvis sätts här där c är värmekapaciteten för mediet som förändras och m är massan av mediet. För gaser skiljer sig konstanten c här beroende på om processen sker vid konstant tryck, cp, eller vid konstant volym, cv. För inkompressibla medier så som de flesta vätskor är dessa konstanter samma. Integrering av första termen med denna substitution ger:

Termen σ räknas ut på olika sätt beroende på vad som är känt om mediet före och efter processen och sätts till 0 om processen antas ske helt reversibelt. Entropibudgeten ger sambandet där Q är den värme som tillförs (positivt Q) eller avges (negativt Q) under processen och Trand är den temperatur värmeöverföringen sker vid. För ideala gaser och ideal-liknande gaser (t.ex. luft) kan skillnaden i entropi, ΔS, beräknas beroende på vilken kombination av temperaturändring, volymändring och tryckändring som är känd enligt:

där R betecknar den specifika gaskonstanten för den gas som undgår processen. För luft är R = 287 J/(kg*K), cv = 717,5 J/(kg*K) och cp = 1005 J/(kg*K).

Referenser[redigera | redigera wikitext]

Noter[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ Burden, Tony. Termodynamik med kompressibel strömning 

Övriga källor[redigera | redigera wikitext]

Se även[redigera | redigera wikitext]