閉じたシステムのエクセルギーの理解と計算

閉鎖系のエクセルギーを理解する

熱力学の魅力的な世界へようこそ。今日は、閉鎖系におけるエクセルギーの概念について詳しく説明します。エクセルギーは、システムが環境と平衡状態に向かうにつれて、システムから抽出できる有用な仕事の尺度です。保存されるエネルギーとは異なり、エクセルギーは破壊される可能性があります。これにより、エネルギー変換の効率を評価するための強力なツールになります。

エクセルギーの基本式

閉鎖系のエクセルギーを決定するために使用する式は、次のように表されます。
エクセルギー = (エネルギー * (1 - (温度 / 基準温度)))
さまざまなコンポーネントを分解してみましょう。

• エネルギー - 閉鎖系内の総エネルギー。ジュール (J) で測定されます。
• 温度 - システムの動作温度。ケルビン (K) で測定されます。
• 基準温度 - 環境または周囲の温度。ケルビン (K) で測定されます。

主要な入力と出力

エクセルギーは、エネルギーと同じようにジュール (J) で測定されます。各入力のメトリックは次のとおりです。

• エネルギー (E): システムで利用可能な総エネルギー。ジュール (J) で測定されます。
• 温度 (T): システム内の動作温度。ケルビン (K) で測定されます。
• 基準温度 (T0): 周囲温度または環境温度。これもケルビン (K) で測定されます。

計算例

5000 ジュール (J) のエネルギーを含む閉鎖システムがあり、動作温度が 300 ケルビン (K)、周囲温度が 290 ケルビン (K) であるとします。式を使用します:

エクセルギー = 5000 * (1 - (300 / 290))

まず、温度比を計算します:

次に、この値を 1 から引きます:

最後に、エネルギーを掛けます:

したがって、この閉鎖システムのエクセルギーは約 -170 ジュールです。

実際のアプリケーション

発電所から冷蔵システムまで、エクセルギーを理解することで、エンジニアは、どこでどれだけの有用な作業を引き出せるか、またはどこでエネルギーが無駄になっているかを正確に特定し、より効率的なシステムを設計できます。たとえば、発電所では、エクセルギーを計算することで、タービンやコンデンサーなどのさまざまなコンポーネントの非効率性を特定できます。

データ検証

計算エラーを避けるために、エネルギーと温度には必ず正の値を入力してください。エクセルギーは仕事の可能性として解釈できるため、負のエクセルギーは入力値の誤りを示している可能性があります。

まとめ

閉鎖系におけるエクセルギーを理解して計算することは、熱力学的プロセスの効率を最適化するために不可欠です。エネルギーが効果的に利用されている場所を明確に示すだけでなく、エネルギーの無駄を最小限に抑えるために改善できる領域も強調します。

よくある質問

• Q: エクセルギーは負になることがありますか?
  A: はい、システムが基準温度よりも高い温度で動作している場合、エクセルギーは負になることがあります。これは、システムの状態を維持するために作業を追加する必要があることを示します。
• Q: エクセルギーはなぜ重要ですか?
  A: エクセルギー分析は、エネルギーが失われている場所と実際に抽出できる有用な作業の量を示すことで、非効率性を特定し、熱力学的プロセスを最適化するのに役立ちます。

最適化のヒント

エクセルギー分析を最大限に活用するには:

• 常に温度比をクロスチェックします。
• 環境温度 (T0) が現実的で正確であることを確認します。
• エクセルギー値を使用して、システム設計と運用を改善します。効率化。