In der Thermodynamik ist Exergie eine physikalische Größe , die es ermöglicht, die Qualität einer Energie zu messen . Dies ist der nutzbare Teil eines Joule . Die maximal erzielbare Arbeit ist somit gleich dem Gegenteil der Variation der Exergie während der Transformation. Ein System im thermomechanischen oder chemischen Gleichgewicht hat keinen Wert mehr. Je weiter ein System vom umgebenden Gleichgewicht entfernt ist, desto mehr kann es eine Veränderung bewirken, eine Fähigkeit, von der der Nutzen einer Energie abhängt.
Wenn nach dem ersten Prinzip der Thermodynamik die Energiemenge erhalten bleibt, kann die Qualität dieser Energie, die Exergie, nur während einer Umwandlung abnehmen. Die bei einer Reaktion zerstörte Exergie wird als "Anergie" bezeichnet.
Dieses Phänomen hängt mit der Entropie des Systems und seiner Umgebung zusammen, die nach dem zweiten Prinzip der Thermodynamik nur während einer realen, nicht reversiblen Transformation zunehmen kann, während die Exergie während einer solchen Transformation abnimmt.
Definitionsgemäß ist die Exergie eines Systems Null, wenn es sich im thermodynamischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung befindet.
Dieses Guthaben beinhaltet:
Wenn wir bedenken, dass die äußere Umgebung invariant ist (insbesondere ihre Temperatur ), wird es möglich, dass die Exergie eine Funktion des Zustands ist : Ihr Wert, die maximale Arbeit , die das System nach außen liefern kann, hängt in der Tat nicht ab nur auf den Gleichgewichtszustand, in dem sich das System befindet, und auf die Konstante .
Für andere Autoren ist Exergie keine Funktion des Systemzustands, weil
es ist definiert durch: . [Klarstellung erforderlich]Die Exergie wird gebildet:
Es wird darauf hingewiesen , dass es sowohl vom System als auch von seiner Umgebung abhängt. Die Wahl des Buchstabens F liegt an seiner Ähnlichkeit mit freier Energie .
Diese Funktion wurde nach Duhem (1861-1916) von Gouy (1854-1926) viel untersucht , aber der Begriff "Exergie" wurde erst 1956 von Zoran Rant eingeführt. Ein wenig in Vergessenheit geraten, trotz seiner Verwendung durch Einstein , kehrt es durch die Überlegungen der Ingenieure zum Thema Abfall in den 1970er Jahren nach dem Ölschock zurück .
Für ein System gegebener chemischer Zusammensetzung können wir bei gegebenem Druck und gegebener Entropie die Enthalpie H verwenden , um die Exergie auszudrücken:
.Für ein System gegebener chemischer Zusammensetzung, bei gegebener Temperatur und gegebenem Volumen können wir die freie Energie F verwenden :
.Für ein System gegebener chemischer Zusammensetzung, bei gegebener Temperatur und gegebenem Druck kann die freie Enthalpie G verwendet werden :
.Die Analyse eines Systems durch Exergie ermöglicht es, den Grad der Irreversibilität einer Umwandlung in einer Temperaturumgebung zu messen . Diese Funktion wird auch "verfügbare Energie" oder "Energieversorgung" (zu Deutsch: Verfügbarkeit ) genannt, weil sie zeigt, dass ihr Fall zwischen einem Zustand A und einem Zustand B die maximal erzielbare Arbeit ist:
.Da dies nicht sehr intuitiv ist, ist es nützlich, die 4 möglichen Fälle zu beschreiben:
Es könnte sogar sein, dass wir bei der Operation Arbeit zurückgewinnen, wenn der Endzustand sehr ungeordnet ist (was a priori nicht intuitiv ist): Einige Quecksilberbatterien und Kalomel vollbringen dieses scheinbare Wunder.
Sobald uns klar wird, dass das Abrufen heißer Informationen teuer ist, wird alles ganz vernünftig: Nehmen Sie das Beispiel von Maxwells Box ; Es versteht sich, dass die Trennung der weißen und schwarzen Kugeln in jedem Fach umso schwieriger ist, da die Kanten der Schachtel bei hoher Temperatur vibrieren . Dies ist genau der Preis, den man zahlen muss, um Uran-235-Hexafluorid von seinem 238-Isotop zu trennen : Die Arbeit eines "Maxwell-Dämons" kostet umso mehr, je schneller sich die Teilchen bewegen.
Wenn natürlich, kann sich das System nur zu dem Zustand entwickeln, in dem es minimal ist, und es wird dort bleiben: Es ist nicht der Zustand minimaler Energie, der das Gleichgewicht darstellt. Er ist auch nicht maximal, da das System Energie zum Thermostat zurückspeisen kann.
Letztendlich ist das Gleichgewicht das gemeinsame Minimum , dh .
Bei konstanter Lautstärke ergibt sich , also das folgende intuitive Ergebnis .
Also das monothermale isochore Gleichgewicht ; Dies rechtfertigt, dass wir in der Chemie fast immer freie Energie und keine Exergie verwenden .
Alles wird im Fall eines Druckschalters während einer monothermischen Umwandlung verallgemeinert . Was eingreifen wird , ist , und alle Argumentation gilt unter der Bedingung, von Arbeit zu sprechen , anders als die der Druckkräfte (gleich ).
Die Prüfung der zweiten Differenz , die positiv sein muß gibt interessante Ungleichheiten, genannt Le Châtelier Ungleichungen (oder Le Châtelier - Braun Ungleichheiten ).
Obwohl er aus der Thermodynamik stammt, ist der Begriff der Exergie auch stark mit der Informationstheorie verbunden. Daher wird es manchmal außerhalb des Bereichs der Thermodynamik im engeren Sinne angewendet , zum Beispiel bei der Analyse der wirtschaftlichen Kosten, der Biodiversität, der Verfügbarkeit von Bodenschätzen. Wir sprechen dann von Exergo-Ökonomie, Exergo-Ökologie, Öko-Exergie usw.