Exergie

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Begründung:Ich vermute mal es geht um Physik. Danach verlies mich dann auch das Verständnis... --((ó)) Käffchen?!? 12:42, 9. Nov 2005 (CET)

Exergie bezeichnet den Anteil der Gesamtenergie eines Systems oder Stoffstroms, der "nützliche" Arbeit verrichten kann, wenn er in das thermodynamische (thermische, mechanische und chemische) Gleichgewicht mit seiner Umgebung gebracht wird.

Beispiel

Betrachtet man ein System aus energetischer Sicht, so können Energieverluste zum Beispiel durch einen Wärmetransport an die Umgebung auftreten. Ein Beispiel hierfür wäre ein schlecht isoliertes Warmwasserrohr: Die Energie, die in Form von Wärme verloren geht kann später nicht mehr genutzt werden, um Arbeit zu leisten - es gilt das Energieerhaltungsprinzip.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik (Entropie) schränkt nun den ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Stichwort Energie) weiter ein. Werden beispielsweise in einer wärmeisolierten (adiabaten) Mischkammer zwei Stoffe gleicher chemischer Zusammensetzung und gleichen Drucks aber unterschiedlicher Temperatur miteinander gemischt, so lassen sich in der Energiebilanzgleichung keine Verluste erkennen. Trotzdem treten reale thermodynamische Verluste auf, da durch diesen Vorgang Entropie erzeugt wird.

Weitere Beispiele für thermodynamische Verluste sind zum Beispiel:

Wärmetransport bei einer endlichen Temperaturdifferenz,
Expansion von Gasen oder Flüssigkeiten auf ein niedrigeres, Druckniveau und
spontane chemische Reaktionen.

Anwendung

Das Exergiekonzept liefert nun ein Werkzeug, mit dem sich zum einen die maximale Nutzarbeit eines Systems oder Stoffstroms berechnen lässt. Zum anderen lassen sich tatsächliche Verluste genau berechnen. Für ingenieurwissenschaftliche Problemstellungen kann es eine Hilfestellung sein, insbesondere wenn das Exergiekonzept mit wirtschaftlichen Größen verknüpft wird - sogenannte thermoökonomische Methoden.

In der Literatur liest man häufig den Zusammenhang

Exergie + Anergie = Energie

wobei Anergie den nicht nutzbaren Teil der Energie kennzeichnet. Dieser Zusammenhang ist jedoch mit Vorsicht zu genießen, insbesondere wenn Prozesse unterhalb der Umgebungstemperatur ablaufen (Kältemaschinen).

Berechnung

Die Exergie eines Systems oder Stoffstroms setzt sich aus der physikalischen Exergie $E_{\mathrm {PH} }$ , der chemischen Exergie $E_{\mathrm {CH} }$ , der kinetischen Exergie $E_{\mathrm {KN} }$ und der potenziellen Exergie $E_{\mathrm {PT} }$ zusammen. Letztere Terme entsprechen der kinetischen und potenziellen Energie.

Die physikalische Exergie $E^{\mathrm {PH} }$ eines geschlossenen Systems lässt sich durch

$E^{\mathrm {PH} }=m\left[\left(u-u_{0}\right)+p_{0}\left(v-v_{0}\right)-T_{0}\left(s-s_{0}\right)\right]$

berechnen, die physikalische Exergie eines Stoffstroms wird ist folgendermaßen definiert:

${\dot {E}}^{\mathrm {PH} }={\dot {m}}[(h-h_{0})-T_{0}(s-s_{0})]$

Hierbei steht u für die massenspezifische innere Energie, h für die massenspezifische Enthalpie, s für die massenspezifische Entropie , p für den Druck, T für die Temperatur, v für das massenspezifische Volumen und m für die Masse. Der Index 0 charakterisiert den Zustand des Systems oder Stoffstroms bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur (im thermischen und mechanischen Gleichgewicht).

Zusammenhang zwischen Exergie und freier Enthalpie

Exergie ist nicht mit der Freien Enthalpie G zu verwechseln. Diese beschreibt ein thermodynamisches Potenzial das bei der Beschreibung von chemischen Reaktionen verwendet wird. Die freie Enthalpie hängt allgemein von der Temperatur ab, während die Exergie nur von der Umgebungstemperatur im thermischen Gleichgewicht ( $T_{0}$ ) abhängt

Literatur

Bejan, A., Tsatsaronis, G. and Moran, M.: "Thermal Design and Optimization.", Wiley, New York 1996, ISBN 0471584673
Baehr, H. D.: "Thermodynamik.", 11. Auflage, Springer, Berlin 2002, ISBN 3540238700