엑서지

엑서지는 종종 "가용 에너지" 또는 "유용한 일 잠재력"으로 불리는 열역학 및 공학 분야의 기본 개념입니다.시스템 내 에너지 품질과 유용한 작업을 수행할 수 있는 잠재력을 이해하고 정량화하는 데 중요한 역할을 합니다.엑서지 분석은 에너지 공학, 환경 과학 및 산업 공정을 포함한 다양한 분야에서 광범위하게 응용되고 있습니다.

과학 및 공학적 관점에서 볼 때, 제2법칙 기반 엑서지 분석은 에너지 분석에만 비해 많은 이점을 제공하기 때문에 가치가 있습니다.이러한 이점에는 에너지 품질(또는 엑서지^[1][2][3] 함량)을 결정하고, 근본적인 물리적 현상에 대한 이해를 높이며, 설계, 성능 평가 및 최적화 노력을 개선하는 기초가 포함됩니다.열역학에서 계의 엑서지(exergy)는 ^[4]계가 이상적인 과정에 의해 주변 환경과 평형을 이루면서 생성될 수 있는 최대의 유용한 작업입니다.'이상적인 프로세스'의 명세를 통해 '최대 작업' 생산을 결정할 수 있습니다.개념적 관점에서 엑서지는 시스템이 환경과 균형을 이루면서 일을 하거나 변화를 일으키는 '이상적인' 잠재력입니다.엑서지는 '가용성'이라고도 합니다.엑서지는 계와 환경 사이에 불균형이 있을 때 0이 아니며 평형이 성립할 때 엑서지는 0입니다(계에 최대 엔트로피 상태와 환경).

엑서지를 결정하는 것은 열역학의 원래 목표 중 하나였습니다.엑서지(exergy)라는 용어는 1956년 조란 란트(1904–1972)가 그리스어로 "일로부터"^[5][3]라는 뜻의 엑서지(ex and ergon)를 사용하여 만들어냈지만, 이 개념은 일찍이 ^[4]1873년 J 윌러드 깁스(Gibbs free energy의 이름과 같은 이름)에 의해 개발되었습니다.

에너지는 생성되지도 파괴되지도 않으며, 단순히 한 형태에서 다른 형태로 변환됩니다(열역학 제1법칙 참조).에너지와 달리 엑서지는 과정이 비이상적이거나 되돌릴 수 없을 때 항상 파괴됩니다(열역학 제2법칙 참조).예를 들어, 누군가가 "나는 그 언덕을 올라가는데 많은 에너지를 썼다"고 말할 때, 그 진술은 제1법칙과 모순됩니다.비록 에너지가 소모되지는 않지만, 우리는 직관적으로 무언가가 있다는 것을 인식합니다.핵심은 에너지가 품질이나 유용성의 척도를 가지고 있다는 것이고, 이 에너지 품질(또는 엑서지 함량)은 소비되거나 파괴된다는 것입니다.이것은 모든 것, 모든 실제 과정들이 엔트로피를 생성하고 엑서지의 파괴 또는 '불가역성'의 속도가 이 엔트로피 생성에 비례하기 때문에 발생합니다(Gouy-Stodola 정리.여기서 엔트로피 생성은 주변과 함께 계의 엔트로피의 순 증가로 계산될 수 있습니다.엔트로피 생성은 마찰, 유한한 온도차에 걸친 열전달, 혼합과 같은 것들에 기인합니다.반면, '엑서지 파괴'와 구별되는 '엑서지 손실'은 엑서지 흐름 또는 전달이 잠재적으로 회복 가능한 질량 또는 열 손실과 같은 시스템의 경계를 넘어 엑서지를 전달하는 것입니다.비록 이러한 질량 및 에너지 손실의 에너지 품질 또는 엑서지 함량이 많은 상황 또는 응용에서 낮지만.여기서 엑서지 함량은 백분율 기준으로 엑서지 대 에너지의 비율로 정의됩니다.예를 들어, 화력 발전소에서 생산된 전기 작업의 엑서지 함량이 100%인 반면, 발전소에서 거부된 저등급 열의 엑서지 함량, 즉 섭씨 25도의 환경 온도에 비해 섭씨 41도의 엑서지 함량은 5%에 불과합니다.

정의들

엑서지는 시스템과 환경의 결합^[6] 특성으로 둘 다의 상태에 따라 달라지며 둘 사이의 불균형의 결과입니다.엑서지는 물질의 열역학적 성질도 아니고 계의 열역학적 퍼텐셜도 아닙니다.엑서지와 에너지는 항상 같은 단위를 가지며 줄(기호: J)은 국제 단위계(SI)의 에너지 단위입니다.시스템의 내부 에너지는 항상 고정된 기준 상태로부터 측정되므로 항상 상태 함수입니다.일부 저자들은 환경이 변할 때 시스템의 엑서지를 변경할 것이라고 정의하는데, 이 경우에는 상태 함수가 아닙니다.다른 저자들은^{[citation needed]} 환경이 확고하게 정의된 시스템의 사용 가능한 에너지 또는 엑서지에 대한 약간의 대체 정의를 변경할 수 없는 절대 기준 상태로 선호하며, 이 대체 정의에서 엑서지는 시스템 상태만의 속성이 됩니다.

그러나 이론적 관점에서 엑서지는 어떤 환경과도 관련 없이 정의될 수 있습니다.시스템의 서로 다른 유한 확장 요소의 집중 특성이 다를 경우 ^[7]시스템에서 기계적 작업을 추출할 수 있는 가능성이 항상 있습니다.그러나 이러한 접근 방식을 사용하면 환경이 시스템과 상호 작용하여 온도와 같은 집중적인 특성이 변하지 않는 '시스템'에 비해 충분히 크다는 요구 사항을 포기해야 합니다.따라서 엑서지는 절대적인 의미에서 정의되므로, 달리 명시되지 않는 한 환경의 집중적인 특성은 시스템과의 상호작용에 의해 변하지 않는다고 이 글에서는 가정할 것입니다.

열 엔진의 경우, 엑서지는 단순히 절대적인 의미에서 정의될 수 있습니다. 에너지 입력과 카르노 효율의 곱으로 저온 열 저장고가 환경의 온도에 있다고 가정할 때 말입니다.많은 시스템을 열 엔진으로 모델링할 수 있기 때문에 이 정의는 많은 응용 분야에 유용할 수 있습니다.

용어.

엑서지라는 용어는 또한 물리적 정의와 유추하여 가역 컴퓨팅과 관련된 정보 이론에서 사용됩니다.엑서지는 또한 다음과 동의어입니다: 가용 에너지, 엑서지 에너지, 에서지(오래된 것으로 간주됨), 이용 가능한 에너지, 이용 가능한 유용한 작업, 최대(또는 최소) 작업 내용, 가역적 작업, 이상적 작업, 가용성 또는 이용 가능한 작업.

시사점

사이클의 엑서지 파괴는 그 사이클을 구성하는 과정들의 엑서지 파괴의 합입니다.사이클의 엑서지 파괴는 또한 전체 사이클을 단일 프로세스로 간주하고 엑서지 파괴 방정식 중 하나를 사용함으로써 개별 프로세스를 추적하지 않고도 결정될 수 있습니다.

예

카르노가 고려한 온도_H T와_H T_C<T의 두 열 저장고의 경우 엑서지는 가역 엔진이 수행할 수 있는 작업 W입니다.특히 고온 저장고가 제공하는 열을 Q로 사용하면 카르노의 분석 결과 W/Q=(T-T)/T가 됩니다.엑서지(exergy) 또는 최대 작업은 개념적으로 이상적인 과정을 사용하여 결정되지만, 주어진 환경에서 시스템의 특성입니다.엑서지 분석은 단지 가역적인 사이클에 대한 것이 아니라 모든 사이클(비순환적 또는 비이상적 포함) 및 실제로 모든 열역학적 과정에 대한 것입니다.

예를 들어, 이상 기체의 비순환적 팽창 과정을 생각해 보십시오.고립된 시스템에서 자유 팽창의 경우 에너지와 온도가 변하지 않으므로 에너지 절약에 의해 작업이 수행되지 않습니다.반면에 팽창 가스의 압력과 항상 일치하는 이동 가능한 벽에 대해 수행되는 팽창의 경우(따라서 벽은 무시할 정도의 운동 에너지를 발생시키고, 열 전달(단열 벽)이 없는 경우), 최대 작업이 수행됩니다.이것은 엑서지에 해당합니다.따라서 엑서지 측면에서 Carnot은 2개의 열 저장소(고정 온도) 순환 과정에 대한 엑서지를 고려했습니다.작업이 과정에 따라 다르듯이 엑서지는 과정에 따라 다르므로 카르노의 경우 카르노의 결과로 줄어듭니다.

W. 톰슨 (1892년부터 켈빈 경)은 일찍이 1849년에 "잃어버린 에너지"라고 불리는 것에 의해 운동을 받았는데, 이것은 "파괴된 에너지"와 "에너지"라고 불리는 것과 같은 것으로 보입니다.1874년에 그는 "잃어버린 에너지"는 마찰, 전기 전도(전기장 주도 전하 확산), 열 전도(온도 주도 열 확산), 점성 공정(횡단 운동량 확산), 입자 확산(물 속 잉크)에 의해 흩어지는 에너지와 같다고 썼습니다.반면 켈빈은 "잃어버린 에너지"를 계산하는 방법에 대해서는 언급하지 않았습니다.이것은 비가역과정에 관한 1931년과 1932년의 Onsager의 작품을 기다리고 있었습니다.

수학적 기술

열역학 제2법칙의 적용

엑서지는 많은 사람들에게 생소한 방식으로 시스템 경계를 사용합니다.우리는 이 엔진이 실제 세계에 존재하지 않더라도 시스템과 기준 환경 사이에 카르노 엔진이 존재한다고 상상합니다.이것의 유일한 목적은 시스템과 주변 환경 사이에서 가능한 가장 효율적인 작업 상호 작용을 나타내기 위해 "What-if" 시나리오의 결과를 측정하는 것입니다.

시스템에 의해 변경되지 않은 무한 저장소처럼 행동하는 실제 참조 환경이 선택된다면, 시간과 평형을 향해 가는 시스템의 결과에 대한 카르노의 추측은 두 개의 동등한 수학적 문장에 의해 해결됩니다.엑서지 또는 사용 가능한 일인 B는 시간이 지남에 따라 감소하고_total, S는 더 큰 고립계에 함께 둘러싸인 계와 기준 환경의 엔트로피는 시간이 지남에 따라 증가한다고 가정합니다.

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} t}\leq 0{\mbox{는 }}{\frac {\mathrm {d} S_{\text{total}}{\mathrm {d} t}\geq 0}$

(1)

거시계(열역학적 한계 이상)의 경우, 엑서지에 다음 식을 사용할 경우 이 문장은 모두 열역학 제2법칙의 표현입니다.

${\displaystyle B=U+P_{R}V-T_{R}S-\sum _{i}\mu _{i,R}N_{i}}$

(2)

여기서 시스템에 필요한 방대한 양은 U = 내부 에너지, V = 볼륨, N = 성분 i의 몰입니다.

주변에 대한 집중량은 P = 압력, T = 온도, μ = 성분 i의 화학적 퍼텐셜

또한 개별 용어에는 종종 이름이 붙어 있습니다. ${\displaystyle {}_{}}$ V$${\$displaystyle$ P_${R}V}$는 "사용 가능한 PV 작업", ${\displaystyle {}_{}}${\$displaystyle$ T_${R}S}$는 "엔트로픽 손실" 또는 "열 손실", 마지막 용어는 "사용 가능한 화학 에너지"라고 불립니다.

어떤 자연 변수가 어떤 퍼텐셜에 해당하는지 인식하는 데 적절한 주의를 기울이는 한, 다른 열역학 퍼텐셜은 내부 에너지를 대체하는 데 사용될 수 있습니다.이러한 잠재성의 권장 명명법에 대해서는 (Alberty, 2001)^[2]을 참조하십시오.식 (2)는 내부 에너지도 이러한 변수들의 함수이고 다른 변수들이 없기 때문에 시스템 부피, 엔트로피 및 다양한 성분들의 몰 수가 변하는 과정에 유용합니다.

내부 에너지에 대한 대체 정의는 사용 가능한 화학 퍼텐셜과 U를 분리하지 않습니다.이 식을 식 (1)에 대입하면 시스템 부피와 엔트로피는 변하지만 화학 반응은 일어나지 않는 공정에 유용합니다.

${\displaystyle B=U[\mu_{1},\mu_{2},\ldots,\mu_{n}+P_{R}V-T_{R}S=U[{\bold 기호 {\mu}}]+P_{R}V-T_{R}S}$

(3)

이 경우, 주어진 엔트로피와 부피에서 주어진 화학물질 집합은 이 열역학 퍼텐셜에 대한 단일 수치를 가질 것입니다.다중 상태 시스템은 깁스 위상 규칙이 집중적인 양이 더 이상 서로 완전히 독립적이지 않을 것이라고 예측하기 때문에 문제를 복잡하게 하거나 단순화시킬 수 있습니다.

역사적 문화적 접선.

1848년, 제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨은 다음과 같은 질문을 했습니다.

절대 온도계 척도를 세울 수 있는 어떤 원리가 있습니까?제가 보기에는 열의 동력에 대한 카르노의 이론이 우리가 긍정적인 ^[3]대답을 할 수 있게 해주는 것 같습니다.

식 (3)에 포함된 후견의 이점으로, 우리는 켈빈의 생각이 물리학에 미치는 역사적인 영향을 이해할 수 있습니다.켈빈은 최고의 온도 척도는 주변의 온도 단위가 카르노의 엔진에서 사용 가능한 작업을 변경할 수 있는 일정한 능력을 나타내는 것이라고 제안했습니다.식 (3)에서:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} T_{R}}=-S}$

(4)

루돌프 클라우지우스는 켈빈의 분석에서 비례 상수의 존재를 인식하고 1865년 그리스어에서 엔트로피라는 이름을 붙였는데, 이는 열에서 일로의 변환 동안 손실되는 에너지의 양을 기술하기 때문입니다.카르노 엔진에서 사용 가능한 작업은 주변 환경이 절대 0도일 때 최대가 됩니다.

물리학자들은 지금처럼 그 이름에 "사용 가능한" 또는 "활용 가능한"이라는 단어가 있는 속성을 특정한 불편함을 가지고 바라봅니다.이용 가능한 것에 대한 생각은 "이용 가능한 것은 무엇인가?"에 대한 의문을 제기하고 그러한 재산이 인간 중심적인가에 대한 우려를 제기합니다.그러한 성질을 이용하여 유도된 법칙은 우주를 설명하는 것이 아니라 사람들이 보고 싶어하는 것을 설명합니다.

통계역학 분야는 (볼츠만 방정식을 개발하는 루드비히 볼츠만의 연구를 시작으로) 많은 물리학자들이 이러한 우려를 덜어주었습니다.이 학문으로부터, 우리는 이제 거시적 특성이 모두 온도 자체보다 엔트로피가 더 "실제"인 미시적 규모의 특성으로부터 결정될 수 있다는 것을 알게 되었습니다(열역학 온도 참조).입자 사이의 미세한 운동 변동은 엔트로픽 손실을 야기하고, 이러한 변동은 모든 방향에서 무작위로 발생하기 때문에 이 에너지는 작업에 이용할 수 없습니다.오늘날 일부 물리학자들과 엔지니어들의 눈에 인간중심적인 행동은 누군가가 가상적인 경계선을 그었을 때 사실, 그는 이렇게 말합니다. "이것은 나의 시스템입니다.그 너머에서 일어나는 것은 환경입니다."이러한 맥락에서 엑서지는 때때로 그것을 사용하는 사람과 사용하지 않는 사람 모두에 의해 인간 중심적인 속성으로 묘사됩니다.그러나 엑서지는 시스템과 환경 사이의 불균형에 기초하므로 시스템을 환경과 구별하여 정의하는 것이 매우 현실적이고 필요합니다.엔트로피는 일반적으로 엑서지보다 물질의 더 근본적인 특성으로 간주된다는 것에 동의할 수 있습니다.

모든 열역학적 상황에 대한 퍼텐셜

U ${\displaystyle$ U$}$ 및$$${\displaystyle }U{\displaystyle }$ [${\displaystyle \mu \mathit{}]}${\$displaystyle$ U$[{\boldsymbol {\mu$ $이외$에 다른 열역학 퍼텐셜은 엑서지를 결정하는 데 자주 사용됩니다.주어진 엔트로피와 압력에서 주어진 화학물질 집합에 대해 엔탈피 H는 다음 식으로 사용됩니다.

${\displaystyle B=H-T_{R}S}$

(5)

주어진 온도와 부피에서 주어진 화학물질 집합의 경우, 헬름홀츠 자유 에너지 A가 다음 식에 사용됩니다.

${\displaystyle B=A+P_{R}V}$

(6)

주어진 온도와 압력에서 주어진 화학물질 집합에 대해 깁스 자유 에너지 G는 다음 식으로 사용됩니다.

${\displaystyle G=H-TS=B-(T-T_{R})S}$

(7)

$여기$서 G ${\displaystyle$ G$}$는 등온 시스템 $$에서 평가되며$($$T$ {\$displaystyle$ T}), $B{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ B$}$는 시스템 환경의 등온 온도에 ${\displaystyle {대해}_{}}$정의됩니다($TR$ {\$displaystyle$T_{$R}).$$엑서지{\displaystyle }$ B ${\displaystyle$ B$}$는 환경 온도 ${\displaystyle {TR}_{}}${\$displaystyle T_{R$의 엔트로피 곱으로 감소된 $에너지{\displaystyle }$ H$${\$displaystyle$ H$}$이며,^[8] 이는 환경 내 엔트로피에 대한 내부 에너지의 기울기 또는 부분 도함수입니다.즉, 높은 엔트로피는 에너지 $레벨{\displaystyle }$ H ${\displaystyle$ H$\}$에 비해 사용 가능한 엑서지 또는 자유 에너지를 감소시킵니다.

작업은 등온 과정과 같이 이 에너지로부터 생성될 수 있지만, 과정 중에 발생하는 엔트로피는 엑서지를 파괴하고 열역학적 퍼텐셜을 감소시킵니다.또한 주위가 아닌 온도, 압력 또는 화학적 전위에서 질량과 에너지가 시스템 밖으로 전달되면 엑서지 손실이 발생할 수 있습니다.폐열 회수 시스템에서 발생하는 것과 같이 엑서지가 파괴되지 않았기 때문에 엑서지 손실은 잠재적으로 복구할 수 있습니다(일반적으로 에너지 품질 또는 엑서지 함량이 낮지만).특수한 경우로, 주변 온도에서 작동하는 등온 공정은 열적으로 관련된 엑서지 손실이 없습니다.

복사열전달을 이용한 엑서지 해석

모든 물질은 영이 아닌(절대) 온도의 결과로 연속적으로 방사선을 방출합니다.이렇게 방출된 에너지 흐름은 물질의 온도가 4차 전원까지 상승하는 것에 비례합니다.결과적으로, 방사선을 흡수하고 변환하고자 하는 방사선 변환 장치는 (유입되는 소스 방사선의 일부를 반영하면서) 고유의 방사선을 본질적으로 방출합니다.또한, 반사된 복사와 방출된 복사가 같은 방향이나 입체각을 차지할 수 있다는 것을 고려하면 엔트로피 흐름은 일반적으로 독립적이지 않습니다.방사선 ^{[9][10][11][12]}전달과 관련된 상황에 정확하게 적용하기 위해 재작성된 제어 용적(CV)에 대한 엔트로피 및 엑서지 균형 방정식은 다음과 같이 표현됩니다.

$여기$서 ${\displaystyle {\mathrm{Sgen}}_{}}${\$displaystyle {S}_{gen}$ 또는$$ Δ는 컨트롤 볼륨 내의 엔트로피 생성을 나타냅니다.

개방형 시스템 X(Δ 또는 B) 내 엑서지에 대한 이 속도 방정식은 열 전달(전도 및 대류의 경우 q, 복사 플럭스에 의한 M), 기계적 또는 전기적 작업 전달(W) 및 질량 전달(m)에 의한 시스템 경계를 가로지르는 엑서지 전달 속도를 고려합니다.또한 비가역성 또는 비이상적 과정으로 인해 시스템 내에서 발생하는 엑서지 파괴(I)를 고려하는 것을 특징으로 합니다.화학적 엑서지, 운동 에너지, 중력 퍼텐셜 에너지는 단순화를 위해 제외되었습니다.

엑서지 조사 조도 또는 플럭스 M, 엑서지 조사 조도 N(등방성 방사선의 경우 M = λN)은 방사선의 스펙트럼과 방향 분포에 따라 달라집니다(예를 들어 '임의 스펙트럼을 가진 방사선의 엑서지 플럭스'의 다음 절 참조).햇빛은 대략 흑체, 더 정확하게는 회색체 복사로 근사할 수 있습니다.회색체 스펙트럼이 흑체 스펙트럼과 비슷하게 보이지만 엔트로피와 엑서지는 매우 다르다는 것에 주목합니다.페텔라는^[13] 등방성 흑체 복사의 엑서지가 표현에 의해 주어졌다고 판단했고,

여기서 밀폐된 시스템 내 엑서지는 X(Ω 또는 B), c는 빛의 속도, V는 밀폐된 방사선 시스템 또는 공극이 차지하는 부피, T는 물질 방출 온도, To는 환경 온도, x는 무차원 온도비 To/T입니다.

그러나 이 결과는 수십 년 동안 복사 플럭스의 전환, 특히 태양 복사와의 관련성 측면에서 논란이 되었습니다.예를 들어, 베얀은^[14] "페텔라의 효율성은 비록 인위적이기는 하지만 계산된 작업 산출물을 비차원화하는 편리한 방법에 지나지 않습니다" 그리고 페텔라의 효율성은 "전환 효율성"이 아니라고 말했습니다. 그러나 페텔라의 결과는 흑체 방사선의 ^[15]엑서지를 나타내는 것으로 밝혀졌습니다.이는 고유 비가역성의 문제, 환경의 정의, 변환 장치에 의한 고유 방출의 영향, 소스 방사선의 집중 효과 등 여러 가지 문제를 해결함으로써 이루어졌습니다.

임의의 스펙트럼을 갖는 방사선의 엑서지 플럭스(Exergy Flux) (태양광 포함)

일반적으로, 지구 태양 복사는 임의의 비흑체 스펙트럼을 갖습니다.지면 스펙트럼은 대기 중 반사, 산란 및 흡수에 의해 크게 달라질 수 있습니다.엔지니어링 시스템에서 열복사의 방출 스펙트럼도 매우 다양할 수 있습니다.

임의의 스펙트럼으로 방사선의 엑서지를 결정할 때, 가역적 변환 또는 이상적 변환(엔트로피 생성 제로)이 가능한지를 고려해야 합니다.흑체 복사 흐름을 이론적으로 최소 온도 차이에 걸쳐 가역적으로 변환하는 것이 가능한 것으로 나타났습니다. ].그러나 흑체 복사와 ^[18]물질 사이에 평형이 존재할 수 있기 때문에 이러한 가역적 전환은 이론적으로만 이루어질 수 있습니다.그러나, 흑체가 아닌 방사선은 그 자체와 평형 상태에 있을 수도 없고, 그 자체의 방출 물질로도 존재할 수 없습니다.

흑체복사와는 달리 비흑체복사는 물질과 평형 상태로 존재할 수 없기 때문에 비흑체복사와 물질의 상호작용은 항상 본질적으로 비가역적인 과정인 것으로 보입니다.예를 들어, 밀폐된 비흑체 복사 시스템(고체 질량 내부의 공극 등)은 불안정하며, 인클로저가 완벽하게 반사하지 않는 한(즉, 방사선과 인클로저의 열 상호작용이 없는 한) 흑체 복사에 대해 자발적으로 평형화됩니다(실제 또는 실제에서는 불가능합니다).비선택 시스템).따라서 초기에 흑체가 아닌 물질 내부에 열복사가 없는 공동은 (복사의 빠른 속도로 인해) 일련의 흡수와 방출 상호작용을 통해 흑체가 아닌 흑체 복사로 채워지게 됩니다.

페텔라와^[19] 칼슨의^[20] 접근법은 둘 다 이론적으로 흑체가 아닌 방사선을 가역적으로 변환하는 것이 가능하다고 가정합니다. 즉, 문제를 해결하거나 고려하지 않고 말이죠.엑서지는 시스템만의 속성이 아니라 시스템과 환경 모두의 속성입니다.따라서 물질과 평형 상태에서 비흑체 복사가 존재할 수 없다는 것은 비흑체 복사와 물질의 상호작용이 본질적으로 비가역적인 과정이라는 것을 나타내는 것이 매우 중요합니다.

흑체가 아닌 방사선 변환의 고유 비가역성에 기초한 임의의 스펙트럼을 갖는 방사선의 플럭스(복사도)는 다음과 같은 표현에 의해 주어집니다.

엑서지 $플럭스{\displaystyle }$ M$${\$displaystyle$ M$}$은 에너지 플럭스 또는 $조사조도{\displaystyle }$ H ${\displaystyle$ H$}$와 $환경온도{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {To}_{}}${\$displaystyle$ T_${o$의 함수로만 표현되며, 그레이바디 방사선의 경우 엑서지 플럭스는 다음과 같은 식으로 표현되며,

예상할 수 있듯이, 비흑체 방사선의 엑서지 플럭스는 방출율이 1과 같을 때 흑체 방사선의 결과로 감소합니다.

그레이바디 방사선의 엑서지 플럭스는 에너지 플럭스의 작은 부분일 수 있습니다.예를 들어 방사율이 $\lambda$ = ${\displaystyle 0.50}${\$displaystyle \epsilon$ = $0.50}$인 그레이바디 방사선에 대한 엑서지 플럭스 대 에너지$$플럭스($M/H)$의 비율은 40.0%이며, $T$ = ${\displaystyle {}^{}}${\$displaystyle$ T = $500^{o}C}$ 및 ${\displaystyle {To}_{}}$ = ${\displaystyle {}^{}}$(${\displaystyle x}$ = ${\displaystyle 0.388)}${\$displaystyle$ T_${o$} = $27^{o}C(x$ = 0$.388)}$입니다$.$즉, 이 경우 그레이바디 에너지 플럭스의 최대 40%만 작업으로 변환할 수 있습니다(이미 동일한 방출 온도를 가진 블랙바디 에너지 플럭스의 50%만 해당됨).회색체 복사는 흑체 스펙트럼과 유사한 스펙트럼을 가지고 있지만 엔트로피와 엑서지 플럭스는 동일한 방출 온도를 가진 흑체 복사의 스펙트럼과 정확하게 근사할 수 없습니다.그러나 동일한 에너지 플럭스(낮은 방출 온도)를 가진 흑체 복사의 엔트로피 플럭스에 의해 합리적으로 근사화될 수 있습니다.

흑체 복사는 에너지 플럭스가 같은 모든 방사선 중 엔트로피 대 에너지 비율이 가장 높지만, 엔트로피 대 에너지 비율이 가장 낮고 엑서지 함량이 가장 높습니다.^[21][22]예를 들어, graybody radiation의 엑서지 함량은 동일한 방출 온도의 blackbody radiation의 엑서지 함량보다 낮으며 방출량이 감소함에 따라 감소합니다.위의 예에서${\displaystyle \mathrm{x}}$= $.388$ {\$displaystyle x$= $0.$}의 경우, 흑체 복사 소스 플럭스의 엑서지 플럭스는 에너지 플럭스의 52.5%이며, λ = $.$50 ${\displaystyle$ \$epsilon$ = $0.$50$\}$의 그레이바디 복사의 경우 40.${\displaystyle 0}$%이거나, ${\displaystyle \mathrm{\lambda }}$= 0$.$10 ${\displaystyle$ \$epsilon$=$0.$10$\}$의 그레이바디 복사의 경우 15.5%입니다.

태양의 엑서지 플럭스

태양 복사는 태양 광선으로부터 직접 전력을 생산하는 것 외에도, 운송 및 전력 생산에 사용되는 모든 연료 및 에너지원뿐만 아니라 직접적으로 생명 시스템을 유지하는 공정을 포함하여 지구상의 공정에 엑서지의 대부분을 제공합니다.이는 주로 핵분열 발전소와 지열 에너지(자연 핵분열 붕괴로 인한)를 제외한 것입니다.태양 에너지는 대부분 5762 켈빈에 가까운 방출 온도를 가진 태양으로부터의 열복사이지만, 또한 핵융합 반응에 의한 소량의 높은 에너지 복사나 태양 내의 더 높은 열 방출 온도를 포함합니다.지구상에서 가장 많은 에너지의 원천은 원자력입니다.

아래 그림은 AM0(지구외 태양복사), AM1(태양정점각이 0도인 지상태양복사), AM4(태양정점각이 75.5도인 지상태양복사)의 맑은 하늘 조건에서 일반적인 태양복사 스펙트럼을 나타낸 것입니다.해수면에서의 태양 스펙트럼(지상의 태양 스펙트럼)은 하늘의 태양의 위치, 대기 탁도, 지역 대기 오염 수준, 구름의 양과 종류 등 여러 가지 요인에 의해 결정됩니다.이러한 스펙트럼은 20 mm의 침전 가능한 수증기와 3.4 mm의 오존을 가진 미국 표준 대기를 가정할 때 비교적 맑은 공기(α = 1.3, β = 0.04)를 위한 것입니다.그림은 태양 복사의 방향 분포에 대한 정보를 제공하지 않는 스펙트럼 에너지 조사 조도(W/m2μm)를 보여줍니다.태양 복사의 엑서지 함량은 태양의 공(원주 태양이 아닌)의 입체각에 의해 조절된다고 가정할 때 AM0,^[23] AM1, AM4 스펙트럼의 경우 각각 93.1%, 92.3%, 90.8%입니다.

지구 대기권의^[24] 물질과 원래 매우 작은 고체 각도의 빔에서 일어나는 태양 복사의 복잡한 상호작용으로 인해 발생하는 확산 성분 때문에 지상 태양 복사의 엑서지 함량 또한 감소합니다.전술한 바와 같이, 확산형 지상태양복사의 특성과 크기는 태양의 하늘에서의 위치, 대기 혼탁도, 국지적 대기오염도, 구름덮개의 양과 종류 등 다양한 요인에 의해 결정됩니다.맑은 하늘 조건에서 태양 복사는 태양을 향해 최대의 강도를 나타내지만(일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주일주불투명하게 흐린 하늘과는 대조적으로 태양 복사는 최대 밝기로 완전히 확산되고 지평선 방향으로 단조롭게 감소할 수 있습니다.확산 성분의 크기는 일반적으로 주파수에 따라 달라지며 자외선 영역에서 가장 높습니다.

방향성 분포에 대한 엑서지 함량의 의존성은 예를 들어 그림에 표시된 AM1 및 AM4 지상 스펙트럼을 고려하여 설명할 수 있으며, 방향성 분포의 경우는 다음과 같습니다.

• AM1: 태양 복사의 80%는 태양이 지배하는 입체각에 포함되어 있으며, 10%는 입체각 0.008sr에 포함되어 등방성이며, 나머지 10%는 입체각 2θsr에 확산성 및 등방성입니다.

• AM4: 태양 복사의 65%는 태양이 지배하는 입체각에 포함되어 있고, 20%는 입체각 0.008sr에 포함되어 등방성이며, 나머지 15%는 입체각 2θsr에 확산성 및 등방성입니다.태양이 하늘에 낮을 때 확산 성분이 입사하는 태양 복사의 주요 부분이 될 수 있습니다.

이러한 방향성 분포의 경우, 표시된 AM1 및^[25] AM4 스펙트럼에 대한 지상 태양 복사의 엑서지 함량은 각각 80.8% 및 74.0%입니다.이러한 샘플 계산을 통해 지상 태양 복사의 엑서지 함량이 복사의 방향 분포에 크게 의존한다는 것을 알 수 있습니다.변환 장치의 성능이 광자의 유입 속도와 스펙트럼 분포에 의존하지만 유입되는 광자의 방향 분포에는 의존하지 않을 것으로 예상할 수 있기 때문에 이 결과는 흥미롭습니다.그러나 특정 스펙트럼 분포를 가진 광자의 주어진 유입 플럭스에 대해 엔트로피(장애 수준)는 방향 분포가 더 확산될수록 더 높습니다.열역학 제2법칙에 의하면, 태양 복사의 유입 엔트로피는 파괴될 수 없고 결과적으로 변환 장치가 얻을 수 있는 최대 일의 출력을 감소시킵니다.

화학 엑서지

열역학적 엑서지와 유사하게 화학적 엑서지는 구성 성분뿐만 아니라 시스템의 온도와 압력에 따라 달라집니다.화학 엑서지 대 열역학 엑서지를 평가할 때의 핵심적인 차이점은 열역학 엑서지가 시스템과 환경의 화학적 조성의 차이를 고려하지 않는다는 것입니다.시스템의 온도, 압력 또는 구성이 환경 상태와 다를 경우 시스템 전체에 ^[26]엑서지가 발생합니다.

화학적 엑서지의 정의는 열역학적 엑서지의 표준 정의와 비슷하지만 몇 가지 차이가 있습니다.화학적 엑서지는 고려된 시스템이 ^[27]환경에 존재하는 기준 물질과 반응할 때 얻을 수 있는 최대 작업으로 정의됩니다.엑서지 기준 환경을 정의하는 것은 화학적 엑서지를 분석하는 데 가장 중요한 부분 중 하나입니다.일반적으로 환경은 25°C의 공기 구성과 1기압의 압력으로 정의됩니다.이러한 특성에서 공기는 N=75.67%, O=20.35%, HO(g)=3.12%, CO=0.03% 및 기타 가스=0.83%로 구성됩니다.이러한 몰 분율은 아래 수학식 8을 적용할 때 사용될 것입니다.

CHO는 최대한의 이론적 작업을 찾고자 하는 시스템에 들어가는 물질입니다_abc.다음 식들을 이용하면 주어진 계에서 물질의 화학 엑서지를 계산할 수 있습니다.아래 수학식 8은 적용 가능한 원소나 화합물의 깁스 함수를 이용하여 화학 엑서지를 계산합니다.식 9는 유사하지만 과학자들이 분석 중인 시스템의 주변 온도와 압력, 가장 일반적인 ^[28]성분의 농도 등 여러 기준을 바탕으로 결정한 표준 몰 화학 엑서지를 사용합니다.이 값들은 열역학 책이나 온라인 ^[29]표에서 찾을 수 있습니다.

중요방정식

${\displaystyle {\bar {e}}^{ch}=\left[{\bar {g}}_{\mathrm {F}}+\left(a+{\frac {b}{4}}-{\frac {c}{2}}\right){\bar {g}}-{\bar {g}}_{\mathrm {CO_{2}}}-\,{\frac {b}{2}}{{\bar {g}}_{\mathrm {H_{2}O}(g)\right]\,\left(T_{0,}p_{0}\right)+{\bar {R}}}T_{0}\,ln\left[{\frac {{(y}_{\mathrm {O_{2}}}^{e}}^{a+{\frac {b}{4}}-\,{\frac {c}{2}}}{\left(y_{\mathrm {CO_{2}}^{e}\right)^{a}\left(y_{\mathrm {H_{2}O}}^{e}\right)^{\frac {b}}}\right]}$

(8)

여기서:

• ${\displaystyle {\stackrel{}{}}_{}{\stackrel{}{g}}_{}}$ ${\displaystyle {\stackrel{}{¯}}_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$ ${\displaystyle${\$bar {g}}_{x}$는 시스템에서 특정 물질의 깁스 함수입니다.

${\displaystyle (}$ ${\displaystyle T_{}}$ 0${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$0 )$${\$displaystyle \left(T_{0},p_{0}\right$ ${\displaystyle .}$ (${\displaystyle g_{}}$ ${\displaystyle {\stackrel{}{¯}}_{}}$ F$${\$displaystyle${\$bar {g}}_{F}$는 시스템에 들어가는 물질을 말합니다.)

• ${\displaystyle \stackrel{}{}}$¯${\displaystyle {\$bar {$R}}}$는 범용 가스 상수(${\displaystyle \stackrel{}{8}}$.314462 J/mol•K)입니다.
• ${\displaystyle {T0\mathrm{}}_{}}$ ${\$ T_${0}}$은 시스템이 절대 온도에서 평가하는 ${\displaystyle {\mathrm{온도}}_{}}$입니다.
• ${\displaystyle y_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\$는 환경에서 주어진 물질의 몰 분율, 즉 공기입니다.

${\displaystyle {\bar {e}}^{ch}=\left[{\bar {g}}_{\mathrm {F}}+\left(a+{\frac {b}{4}}-{\frac {c}{2}}\right){\bar {g}}-{\bar {g}}_{\mathrm {CO_{2}}}-\,{\frac {b}{2}}{\bar {g}}_{\mathrm {H_{2}O}(g)\right]\,\left(T_{0,}p_{0}\right)+a{\bar {e}}_{\mathrm {CO_{2}}}^{ch}+,\left\frac {b}{2}}\right){\bar {e}}}_{\mathrm {H_{2}O}(l)}^{ch}-\,\left(a+\,{\frac {b}{4}}\right){\bar {e}}_{\mathrm {O_{2}}^{ch}}$

(9)

$여기$서${\displaystyle {\stackrel{}{}e}_{}^{}}$ x ${\displaystyle {\mathrm{ch}}_{}^{}}$ ${\${\$bar {e}}_{x}^{ch}}$는 시스템이 평가되는 특정 조건에 대해 표에서 가져온 표준 몰 화학 엑서지입니다.

주어진 물질에 대한 표준 화학 엑서지를 찾기만 하면 되는 단순함 때문에 수학식 9가 더 일반적으로 사용됩니다.대부분의 경우 표준 표를 사용하는 것이 효과적입니다. 환경 조건이 약간 달라지더라도 그 차이는 무시할 수 있습니다.

총 엑서지

주어진 계에서 화학 엑서지를 찾은 후, 열역학 엑서지에 그것을 더하면 총 엑서지를 찾을 수 있습니다.상황에 따라 첨가되는 화학 엑서지의 양은 매우 적을 수 있습니다.평가 대상 시스템이 연소를 포함하는 경우 화학적 엑서지의 양이 매우 크며 시스템의 총 엑서지를 찾는 데 필요합니다.

비가역성

비가역성은 폐쇄된 시스템에서 파괴되는 엑서지의 양, 즉, 낭비된 작업 전위를 설명합니다.이것은 또한 흩어진 에너지라고도 불립니다.효율성이 높은 시스템의 경우 I 값이 낮으며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.닫힌계의 비가역성을 계산하는 방정식은 그 계의 엑서지와 관련된 것으로서 ^[31]다음과 같습니다.

${\displaystyle I=T_{0}S_{\text{gen}}$

(10)

$여기$서 ${\displaystyle {\text{Sgen}}_{}}${\$displaystyle$ S_${\text{gen$는 시스템 내의 프로세스에서 생성된 엔트로피입니다.I> ${\displaystyle$I >$0}$인 시스템에 비가역성이 존재합니다.I = ${\displaystyle 0}$ ${\displaystyle$ I = $0}$인 경우 시스템에 비가역성이 존재하지 않습니다.비가역성인 I 값은 음이 될 수 없는데, 이는 열역학 제2법칙의 직접적인 위반인 엔트로피 파괴를 의미하기 때문입니다.

엑서지 분석은 또한 작품을 생산하는 장치의 실제 작업과 가역적 또는 이상적인 과정에서 얻을 수 있는 최대 작업과 관련이 있습니다.

${\displaystyle W_{\text{act}}=W_{\text{max}}-I}$

(11)

즉, 비가역성은 이상적인 최대 작업 산출량에서 실제 작업 산출량을 뺀 값입니다.한편, 냉동 또는 히트 펌프와 같은 작업 소비 장치의 경우, 비가역성은 실제 작업 입력에서 이상적인 최소 작업 입력을 뺀 값입니다.

오른쪽 부분의 첫 번째 항은 시스템 ^[31]입구와 출구의 엑서지 차이와 관련이 있습니다.

${\displaystyle W_{\text{max}}=\Delta B=B_{\text{in}}-B_{\text{out}}$

(12)

여기서 B는 Ω 또는 X로도 표시됩니다.

격리된 시스템의 경우 시스템과 주변 환경 사이에 열이나 작업 상호 작용 또는 엑서지의 전달이 없습니다.그러므로 고립된 계의 엑서지는 그 계나 과정의 비가역성과 같은 크기만큼만 감소할 수 있습니다.

${\displaystyle \Delta B=-I}$

(13)

적용들

식 (1)을 서브시스템에 적용하면 다음을 얻을 수 있습니다.

${\displaystyle {\mbox{If}}~{\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} t}}{\mathrm {d} B}{\mathrm {d} t}}={\mox{최대 전력 생성}}\<0,&{\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} t}={\mox{최소 전력 필요}\end{case}}$

(14)

이 표현은 전기 분해(G의 감소), 갈바닉 전지 및 연료 전지(G의 증가), 폭발물(A의 증가), 가열 및 냉동(H의 교환), 모터(U의 감소) 및 발전기(U의 증가)와 같은 다양한 용도의 이론적 이상에도 동일하게 적용됩니다.

엑서지 개념의 활용은 Carnot이 알고 있듯이 무한한 저장소가 실제 세계에 존재하지 않기 때문에 종종 기준 환경의 선택에 대한 신중한 고려가 필요합니다.공장의 작업장에서 무제한 저장소를 시뮬레이션하기 위해 시스템을 일정한 온도로 유지할 수 있지만, 이러한 시스템은 더 큰 주변 환경에서 분리할 수 없습니다.그러나 적절한 시스템 경계 선택을 통해 합리적인 상수 저장소를 상상할 수 있습니다.과정은 때때로 "가장 현실적인 불가능성"에 비유되어야 하며, 이는 필연적으로 어느 정도의 추측을 ^{[citation needed]}수반합니다.

엔지니어링 응용프로그램

이 섹션은 검증을 위해 추가적인 인용이 필요합니다. 이 섹션의 신뢰할 수 있는 자료에 인용문을 추가하여 이 기사를 개선하는 데 도움을 주시기 바랍니다. 출처가 밝혀지지 않은 자료에 이의를 제기하여 제거할 수 있습니다.출처 찾기 : "엑서지" – 뉴스 · 신문 · 책 · 학자 · JSTOR (2023년 3월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법 및 시기 알아보기)

엔지니어링에서 에너지 및 엑서지 방법의 한 가지 목표는 설계를 구축하기 전에 여러 가지 가능한 설계로 들어오는 것과 나오는 것을 계산하는 것입니다.에너지 입력과 출력은 열역학 제1법칙 또는 에너지 보존 원리에 따라 항상 균형을 이루게 됩니다.엑서지 입력의 일부가 실제 공정의 열역학 제2법칙에 따라 항상 파괴되기 때문에 엑서지 출력은 실제 공정의 엑서지 입력과 동일하지 않습니다.입력과 출력이 계산된 후 엔지니어는 종종 가장 효율적인 프로세스를 선택하고자 할 것입니다.에너지 효율성 또는 제1법칙 효율성은 에너지 투입에 대해 가능한 한 적은 에너지를 낭비하는 것을 기준으로 가장 효율적인 프로세스를 결정합니다.엑서지 효율성 또는 제2법칙 효율성은 원하는 출력의 단위당 주어진 작업의 입력으로부터 가능한 한 적은 작업을 낭비하고 파괴하는 것을 기반으로 가장 효율적인 프로세스를 결정합니다.

엑서지는 시스템을 최적화하거나 개선 가능성이 가장 큰 구성요소 또는 서브시스템을 식별하기 위해 여러 설계 애플리케이션에 적용되어 왔습니다.예를 들어, 국제 우주 정거장의 환경 제어 시스템에 대한 엑서지 분석에서 산소 발생 조립체가 엑서지를 ^[32]가장 많이 파괴하는 서브 시스템으로 밝혀졌습니다.

엑서지는 기계, 전기, 핵, 화학 또는 열 시스템을 설명할 수 있기 때문에 다양한 시스템을 가진 광범위한 엔지니어링 분석에 특히 유용합니다.이러한 이유로, 엑서지 분석은 로켓 ^[33]차량의 성능을 최적화하는 데에도 사용되어 왔습니다.엑서지 분석은 제2법칙을 통합하고 시스템과 환경과의 관계를 모두 고려하기 때문에 에너지 분석에만 비해 추가적인 통찰력을 제공합니다.예를 들어, 엑서지 분석은 ^[34]달의 표면과 같은 특정 애플리케이션의 고유한 환경 작동 조건을 참조하여 수행되기 때문에 가능한 달의 발전 및 저장 시스템을 비교하는 데 사용되어 왔습니다.

화학 공장에서 단위 작업에 엑서지를 적용하는 것은 20세기 ^{[citation needed]}동안 화학 산업의 큰 성장에 부분적으로 기여했습니다.

엑서지의 단순한 예로서, 온도, 압력 및 조성의 대기 조건에서 공기는 에너지를 포함하지만 주위로 알려진 열역학적 기준 상태로 선택될 때 엑서지는 포함되지 않습니다.발전소에서의 연소와 같은 지구상의 개별적인 과정들은 종종 결국 대기에 포함되는 생성물들을 낳기 때문에, 엑서지에 대한 이 기준 상태를 정의하는 것은 대기 자체가 평형 상태에 있지 않고 장기적이고 단기적인 변화들로 가득 차 있는 경우에도 유용합니다.

실제 날씨가 매우 춥거나 더울 때 화학 공장 운영 중에 계산을 위해 표준 주변 조건을 사용하는 경우 화학 공장의 특정 부분이 100% 이상의 엑서지 효율을 갖는 것처럼 보일 수 있습니다.비표준 대기 온도 변화를 고려하지 않고 이러한 계산은 영구적인 운동 기계라는 인상을 줄 수 있습니다.실제 조건을 사용하면 실제 값을 얻을 수 있지만, 표준 주변 조건은 초기 설계 계산에 유용합니다.

자연 자원 활용 분야의 응용 사례

최근 수십 년 동안 엑서지의 활용은 물리학과 공학을 넘어 산업 생태학, 생태 경제학, 시스템 생태학, 에너지학 분야로 확산되었습니다.한 필드가 끝나고 다음 필드가 시작되는 위치를 정의하는 것은 의미론의 문제이지만 엑서지의 응용 프로그램은 엄격한 범주에 포함될 수 있습니다.엑서지와 ^[35]가용성의 관계를 강조한 얀 사르구트의 획기적인 작업 이후 '엑서지 생태와 민주주의'^[36]를 기억할 필요가 있습니다.엑서지 교란과 환경 및 사회적 교란을 연관시키는 엄격한 관계를 증명하는 짧은 에세이 Goran Wall.이 활동을 통해 생태 경제학과 환경 회계학에서 기본적인 연구 활동을 도출하여 인간 활동이 현재와 미래의 자연 환경에 미치는 영향을 평가할 수 있도록 엑서지 비용 분석을 수행합니다.주변 공기와 마찬가지로, 이는 종종 카르노의 기준 상태 환경 대신 자연 환경에서 비현실적인 속성 대체를 요구합니다.예를 들어, 생태학자들과 다른 사람들은 바다와 지각에 대한 기준 조건을 개발했습니다.이 정보를 이용한 인간 활동에 대한 엑서지 값은 자연자원을 활용한 업무 수행의 효율성에 따른 정책 대안을 비교하는데 유용할 수 있습니다.대답할 수 있는 일반적인 질문은 다음과 같습니다.

방법 A에 의한 경제적 재화의 한 단위의 인간 생산이 방법 B에 의한 생산보다 자원의 엑서지를 더 많이 활용합니까?

경제적 재화 A의 인적 생산이 재화 B의 생산보다 자원의 엑서지를 더 많이 활용합니까?

경제적 재화 A의 인적 생산이 재화 B의 생산보다 자원의 엑서지를 더 효율적으로 활용합니까?

이 방법들을 표준화하고 적용하는 데 어느 정도 진전이 있었습니다.

엑서지를 측정하려면 시스템의 기준 상태 ^[37]환경을 평가해야 합니다.자연 자원 활용에 대한 엑서지의 적용과 관련하여, 시스템을 정량화하는 과정은 항상 전형적인 비용-편익 용어로 쉽게 분해되지 않는 자원에 가치(활용 및 잠재력 모두)를 할당해야 합니다.하지만, 일을 할 수 있는 시스템의 잠재력을 완전히 실현하기 위해서는 ^[38]천연 자원의 활동적 잠재력과 인간의 간섭이 이러한 잠재력을 어떻게 변화시키는지를 이해하는 것이 점점 더 절실해지고 있습니다.

생태학자들이 자연자원의 엑서지를 결정하는 가장 직접적인 방법은 기준 상태 환경^[37] 대신 시스템의 고유 특성을 참조하는 것입니다.구체적으로 시스템의 열역학적 특성과 기준 환경 ^[39]내에서 허용 가능한 기준^[39] 물질을 조사하는 것이 가장 쉽습니다.이러한 결정은 자연 상태에서 품질을 가정할 수 있습니다. 이러한 수준으로부터의 편차는 외부 소스에 의해 발생하는 환경의 변화를 나타낼 수 있습니다.지구상에서 증식하기 때문에 허용되는 기준 물질은 대기 중의 가스, 지각 내의 고체, 그리고 바닷물 ^[37]속의 분자나 이온 등 세 가지 종류가 있습니다.이러한 기본 모델을 이해함으로써, 태양 복사가 식물 ^[40]생명체에 미치는 영향과 같이 상호작용하는 여러 지구 시스템의 엑서지를 결정할 수 있습니다.이러한 기본 범주들은 천연자원을 통해 엑서지를 정의할 수 있는 방법을 검토할 때 기준 환경의 주요 구성요소로 활용됩니다.

기준 상태 환경 내의 다른 품질에는 온도, 압력 및 정의된 ^[37]영역 내의 임의 수의 물질 조합이 포함됩니다.다시 말하지만, 시스템의 엑서지는 해당 시스템의 작업 수행 가능성에 따라 결정되므로 시스템의 잠재력을 파악하기 전에 시스템의 기본 특성을 결정해야 합니다.자원의 열역학적 가치는 자원의 엑서지에 자원을 얻고 그것을 ^[37]처리하는 비용을 곱함으로써 구할 수 있습니다.

오늘날, 특히 에너지 ^[41]사용에 대한 천연 자원 활용의 환경적 영향을 분석하는 것이 점점 더 대중화되고 있습니다.엑서지는 이러한 방법의 영향을 이해하기 위해 배출물, 연료 및 ^[41]기타 에너지원의 영향 가능성을 측정하기 위한 도구로 사용됩니다.예를 들어, 석탄, 석유, 천연 가스를 태우는 것의 환경적 영향을 평가하기 위해 화석 연료의 연소를 검토합니다.이 세 가지 제품의 배출을 분석하는 현재의 방법은 영향을 받는 시스템의 엑서지를 결정하는 과정과 비교될 수 있습니다. 구체적으로,^[38] 대기 내 가스의 기준 상태 환경과 관련하여 이들을 조사하는 것이 유용합니다.이러한 방법으로 인간의 행동이 자연 환경에 어떤 영향을 미치고 있는지를 판단하는 것이 더 쉽습니다.

지속가능성을 위한 애플리케이션

이 절에서는 출처를 언급하지 않습니다. 신뢰할 수 있는 자료에 인용문을 추가하여 이 부분을 개선하는 데 도움을 주시기 바랍니다. 출처가 밝혀지지 않은 자료에 이의를 제기하여 제거할 수 있습니다.(2020년 12월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법 및 시기 알아보기)

시스템 생태학에서 연구자들은 때때로 적은 수의 엑서지 입력(일반적으로 태양 복사, 조력 그리고 지열)으로 인한 천연 자원의 현재 형성의 엑서지를 고려합니다.이 응용 프로그램은 기준 상태에 대한 가정을 요구할 뿐만 아니라, 기준 상태에 가까웠을 수도 있는 과거의 실제 환경에 대한 가정도 요구합니다.현실에 대한 억측만 하고 있는 상황에서 어떤 것이 가장 '현실적 불가능성'인지를 그렇게 오랜 기간에 걸쳐 결정할 수 있을까요?

예를 들어, 오일 엑서지를 석탄 엑서지와 동일한 기준 상태로 비교하려면 지열 엑서지 입력을 통해 지구 지각에서 수백만 년 동안 생물학적 물질에서 화석 연료로 전환되는 과정을 설명하고, 태양 복사 엑서지 입력을 통해 생물권의 일부였던 그 이전의 물질의 역사를 설명해야 합니다.이 작업은 오일과 석탄이 이러한 소스로부터 동일한 엑서지 입력을 받는 것으로 가정될 수 있는 추정 시대까지 시간에 걸쳐 수학적으로 거꾸로 수행되어야 합니다.과거 환경에 대한 추측은 오늘날 알려진 환경에 대한 참조 상태를 할당하는 것과는 다릅니다.실제 고대 환경에 대한 합리적인 추측이 만들어질 수도 있지만, 그것들은 검증할 수 없는 추측입니다. 그래서 일부 사람들은 이 응용 프로그램을 의사 과학 또는 의사 공학으로 간주합니다.

필드는 시간이 지남에 따라 자연 자원에 축적된 엑서지를 "체화된 줄" 또는 "엠줄"의 단위를 갖는 구체화된 에너지로 설명합니다.

이 연구의 중요한 응용 분야는 지속가능성 측정을 통해 지속가능성 문제를 정량적으로 해결하는 것입니다.

경제적 재화의 인간 생산은 지구의 천연 자원이 엑서지를 받을 수 있는 것보다 더 빨리 엑서지를 고갈시키나요?

그렇다면, 이것은 다른 천연 자원 세트를 사용하여 동일한 재화(또는 다른 것)를 생산함으로써 발생하는 고갈과 어떻게 비교됩니까?

엑서지 및 환경정책

오늘날 환경 정책은 엑서지를 더 공평하고 효과적인 환경 정책을 위한 도구로 간주하지 않습니다.최근 엑서지 분석을 통해 오늘날의 정부 온실가스 배출 잔액에서 중요한 결함을 얻을 수 있었으며, 이는 종종 국제 운송 관련 배출을 고려하지 않으므로 수출입의 영향은 ^[42]설명하지 않습니다.

따라서, 수입 수출 운송과 기술의 영향에 대한 일부 예비 사례는 시민들에게 미치는 재정적 영향을 줄일 수 있는 효과적인 엑서지 기반 과세를 도입할 수 있는 기회를 제공했습니다.또한 Exergy는 UN의 지속가능한 개발 목표(SDG)^[43]를 향한 경로를 효과적으로 추정할 수 있는 귀중한 도구가 될 수 있습니다.

하나의 열역학적으로 얻은 값을 경제적 재화에 할당하는 것

이 절에서는 출처를 언급하지 않습니다. 신뢰할 수 있는 자료에 인용문을 추가하여 이 부분을 개선하는 데 도움을 주시기 바랍니다. 출처가 밝혀지지 않은 자료에 이의를 제기하여 제거할 수 있습니다.(2020년 12월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법 및 시기 알아보기)

시스템 생태학자들이 제안한 기술은 마지막 절에서 설명한 3개의 엑서지 입력을 태양 복사의 단일 엑서지 입력으로 통합하고, 엑서지의 총 입력을 태양의 구체화된 줄 또는 sej로 경제적 재화로 표현하는 것입니다. (에머지 참조) 태양력, 조석력, 지열력으로부터 동시에 엑서지 입력을 받는 것은초기 기준 상태로 선택될 수 있는 조건에서 태양계의 시작에 그들의 기원과 이론적으로 다른 추측적 기준 상태는 그 당시로 거슬러 올라갈 수 있습니다.이 툴을 사용하면 다음과 같은 답변을 얻을 수 있습니다.

지구 엑서지의 총 인간 고갈 중 특정 경제적 재화의 생산에 의해 야기되는 것은 무엇입니까?

지구 엑서지의 총 인간 및 비인간 고갈 중 특정 경제적 재화의 생산에 의해 야기되는 것은?

이 아이디어를 위해서는 추가적인 열역학 법칙이 필요하지 않으며, 에너지의 원리는 많은 문제들을 분야 밖의 문제들과 혼동할 수 있습니다.증명할 수 없는 가설들, 받아들여진 전문용어들과 모순되는 낯선 전문용어들, 그것의 지지자들 사이의 격렬한 옹호, 그리고 다른 학문들로부터 어느 정도 고립된 것들의 결합은 많은 사람들이 이 원형과학을 유사과학으로 여기는 데 기여했습니다.그러나, 그것의 기본 신조는 엑서지 개념의 추가적인 활용일 뿐입니다.

복잡한 물리시스템 개발에 주는 시사점

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시스템 생태학에서 일반적인 가설은 엑서지 효율이 증가된 프로세스를 만들기 위해서는 더 많은 자본 투자가 필요하다는 설계 엔지니어의 관찰이 실제로는 자연 법칙의 경제적 결과라는 것입니다.이 견해에 따르면 엑서지는 자연계의 경제 통화와 유사합니다.자본 투자와 유사한 것은 엑서지가 오랜 시간에 걸쳐 시스템에 축적되어 구체화된 에너지를 만들어내는 것입니다.자본 투자가 엑서지 효율이 높은 공장으로 귀결되는 비유는 엑서지 효율이 높은 자연적인 조직 구조의 증가입니다.(최대 전력 참조).이 분야의 연구자들은 엑서지의 제한된 공급원에 대한 경쟁으로 인해 엑서지 효율성의 증가에 대한 요구로 인해 생물학적 진화를 생물학적 복잡성의 증가로 설명합니다.

어떤 생물학자들은 비슷한 가설을 가지고 있습니다.다수의 중간 구획과 중간 반응을 갖는 생물학적 시스템(또는 화학적 식물)은 공정이 많은 작은 부분 단계들로 분할되기 때문에 더 효율적이며, 이것은 무한한 수의 최소 부분 단계들의 가역적인 이상에 더 가깝습니다.물론 과도하게 많은 수의 중간 칸은 너무 높을 수 있는 자본 비용이 듭니다.

생물이나 생태계에서 이 아이디어를 시험하는 것은 변화가 일어나는 데 필요한 큰 시간 척도와 작은 엑서지 입력 때문에 모든 실용적인 목적으로는 불가능합니다.하지만, 이 생각이 옳다면, 그것은 자연의 새로운 기본적인 법칙이 되지 않을 것입니다.19세기에 개발된 열역학 법칙을 이용하여 엑서지 효율을 극대화하는 것은 단순히 살아있는 시스템과 생태계일 것입니다.

철학적, 우주론적 함의

이 절에서는 출처를 언급하지 않습니다. 신뢰할 수 있는 자료에 인용문을 추가하여 이 부분을 개선하는 데 도움을 주시기 바랍니다. 출처가 밝혀지지 않은 자료에 이의를 제기하여 제거할 수 있습니다.(2020년 12월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법 및 시기 알아보기)

엑서지 개념을 사용하는 것을 지지하는 일부 사람들은 엑서지 개념을 품질과 가치와 같은 용어에 대한 생물 중심적 또는 생태 중심적 대안으로 설명합니다."심층 생태학" 운동은 이 용어들의 경제적 사용을 폐기되어야 할 인간 중심적인 철학으로 봅니다.가능한 보편적인 열역학적 개념의 가치나 효용은 일원론에 관심이 있는 사람들에게 매력적입니다.

어떤 사람들에게는, 엑서지를 깊은 과거로 추적하는 것에 대한 이러한 생각의 결과는 우주가 한때 평형 상태에 있었고 어떤 첫 번째 원인으로부터 엑서지의 투입이 이용 가능한 일로 가득한 우주를 만들었다는 우주론적 주장의 재진술입니다.현재 과학은 우주의 첫⁻⁴³ 10초를 묘사할 수 없습니다. (빅뱅의 타임라인 참조)외부 기준 상태는 그러한 이벤트에 대해 정의될 수 없으며, (그 장점과 무관하게) 그러한 논쟁은 엔트로피 측면에서 더 잘 표현될 수 있습니다.

에너지 종류의 품질

물질의 엑서지와 에너지의 비율은 에너지 품질의 척도로 간주될 수 있습니다.거시적 운동 에너지, 전기 에너지, 화학적 깁스 자유 에너지와 같은 형태의 에너지는 일로써 100% 회복할 수 있으므로 그들의 에너지와 같은 엑서지를 갖습니다.그러나 방사선과 열 에너지와 같은 형태의 에너지는 완전히 일로 전환될 수 없으며 에너지 함량보다 엑서지 함량이 적습니다.물질 내 엑서지의 정확한 비율은 열역학 제2법칙에 의해 결정되는 주변 환경에 대한 엔트로피의 양에 따라 달라집니다.

엑서지는 에너지 변환 과정의 효율을 측정할 때 유용합니다.효율은 엑서지 출력을 엑서지 입력으로 나눈 비율입니다.이 공식은 에너지의 품질을 고려한 것으로, 종종 열역학 제1법칙만을 사용하는 효율 추정치보다 더 정확하고 유용한 분석을 제공합니다.

주변보다 차가운 몸에서도 일을 추출할 수 있습니다.에너지의 흐름이 몸 안으로 들어올 때, 작업은 큰 저장소, 주변에서 얻은 이 에너지에 의해 수행됩니다.에너지 품질의 개념에 대한 정량적인 처리는 에너지의 정의에 달려 있습니다.표준 정의에 따르면, 에너지는 일을 할 수 있는 능력의 척도입니다.일은 에너지의 변화에서 오는 힘에 의한 질량의 이동을 수반할 수 있습니다.에너지 변환이 있다면, 에너지 흐름 변환의 두 번째 원리는 이 과정이 열로써 에너지를 일부 발산하는 것을 포함해야 한다는 것입니다.방출되는 열의 양을 측정하는 것은 에너지 또는 일을 하고 거리에 힘을 가하는 능력을 정량화하는 한 가지 방법입니다.

온도에서 사용 가능한 열의 엑서지

가능한 최대 열의 작업 전환 또는 열의 엑서지 함량은 열을 사용할 수 있는 온도와 거부 열을 배치할 수 있는 온도 수준, 즉 주변 온도에 따라 달라집니다.전환의 상한은 카르노 효율로 알려져 있으며 1824년 니콜라스 레오나르 사디 카르노에 의해 발견되었습니다.Carnot 히트 엔진도 참조하십시오.

카르노 효율은

${\display style \eta = 1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}$

(15)

여기서_H T는 더 높은 온도이고_C T는 더 낮은 온도입니다. 둘 다 절대 온도입니다.식 15로부터 효율을 최대화하기 위해서는 T를 최대화하고_H T를 최소화해야_C 함이 분명합니다.

교환된 엑서지는 다음과 같습니다.

${\displaystyle B=Q\left(1-{\frac {T_{o}}{T_{\text{source}}}}\right)}$

(16)

여기서_source T는 열원의 온도이고, T는_o 주변의 온도입니다.

경제적 가치와의 연관성

엑서지는 어떤 의미에서 에너지의 가치를 측정하는 것으로 이해될 수 있습니다.고엑서지 에너지 캐리어는 보다 다양한 용도로 사용될 수 있기 때문에 더 많은 작업을 수행할 수 있기 때문에 더 많은 경제적 가치를 보유하고 있다고 가정할 수 있습니다.이는 에너지 운반체의 가격, 즉 전기와 같은 고에너지 운반체는 다양한 연료나 열과 같은 저에너지 운반체보다 더 가치가 있는 경향이 있습니다.이로 인해 가능하면 더 가치 있는 고엑서지 에너지 캐리어를 저엑서지 에너지 캐리어로 대체할 수 있게 되었습니다.예를 들어, 난방 시스템에 대한 높은 투자로 저엑서지 에너지원을 사용할 수 있는 난방 시스템을 들 수 있습니다.따라서 높은 엑서지 콘텐츠는 ^[44]자본 투자로 대체되고 있습니다.

엑서지 기반 수명주기 평가(LCA)

시스템의 엑서지는 시스템을 열 ^[45][46]저장고와 평형 상태로 만드는 과정에서 가능한 최대의 유용한 작업입니다.월은 엑서지 분석과 자원 ^[48]회계 사이의 관계를 명확하게 명시하고 있습니다^[47].Dewulf Sciubba에^[50] 의해^[49] 확인된 이러한 직관은 엑서지-경제 회계^[51] 및 서비스 단위당 엑서지틱 재료 투입(EMIPS)^[52]과 같은 LCA에 특별히 전념하는 방법으로 이어집니다.서비스 단위당 재료 입력(MIPS)의 개념은 열역학 제2법칙에 따라 정량화되어 엑서지 용어로 자원 입력과 서비스 출력을 모두 계산할 수 있습니다.이 EMIPS(서비스 단위당 입력 정보)는 운송 기술을 위해 정교화되었습니다.이 서비스는 운송할 총 중량과 총 거리뿐만 아니라 단일 운송 당 중량과 배송 시간도 고려합니다.EMIPS 방법론의 적용 가능성은 특히 운송 시스템과 관련이 있으며 수명 주기 ^[52]평가와 효과적인 결합을 가능하게 합니다.EMIPS에 따른 엑서지 분석은 보다 지속 가능한 운송을 ^[53]위한 운송의 환경적 영향을 줄이기 위한 정확한 전략의 정의를 가능하게 했습니다.그러한 전략은 차량의 중량 감소, 지속 가능한 운전 스타일, 타이어의 마찰 감소, 전기 및 하이브리드 ^[54]차량 장려, 도시의 보행 및 자전거 환경 개선, 그리고 대중 교통, 특히 전기 ^[55]철도의 역할 강화를 요구합니다.

역사

카르노

1824년, Sadi Carnot는 James Watt 와 다른 사람들에 의해 증기 기관을 위해 개발된 개선사항들을 연구했습니다.카르노는 이 엔진들에 대해 순수하게 이론적인 관점을 사용했고 새로운 아이디어를 개발했습니다.그는 이렇게 썼습니다.

열의 동력이 무한한지, 증기 기관의 가능한 개선이 할당 가능한 한계를 가지고 있는지, 사물의 본질이 어떤 수단으로도 통과되지 않도록 하는 한계를 가지고 있는지에 대한 의문이 종종 제기되어 왔습니다.가장 일반적인 방법으로 열에 의한 운동 생성 원리를 고려하기 위해서는 어떤 메커니즘이나 특정한 작용제와 독립적으로 고려되어야 합니다.증기 기관뿐만 아니라 상상할 수 있는 모든 열 기관에 적용할 수 있는 원칙을 수립해야 합니다.증기 기관에서 운동을 생성하는 것은 항상 우리가 주의를 기울여야 하는 상황을 수반합니다.이 상황은 균형을 다시 세우는 것입니다...A와 B가 각각 일정한 온도로 유지되는 두 물체를 상상해보세요. A가 B보다 높은 물체입니다.온도 변화를 일으키지 않고 열을 제거할 수 있는 이 두 물체는 두 개의 무한 ^[4]저장고의 기능을 발휘합니다.

카르노는 다음으로 현재 카르노 엔진이라고 불리는 것에 대해 설명했고, 사고 실험에 의해 이 엔진보다 성능이 좋은 열 엔진은 영구적인 운동 기계가 될 것이라는 것을 증명했습니다.1820년대에도, 그런 장치들을 금지하는 과학의 오랜 역사가 있었습니다.카르노(Carnot)에 따르면, "이러한 창조물은 현재 받아들여지고 있는 사상, 역학 법칙 및 소리 물리학과 완전히 상반되는 것입니다.그것은 ^[4]허용될 수 없습니다."

엔진에 의해 행해질 수 있는 일의 상한에 대한 이 설명은 열역학 제2법칙의 가장 초기의 현대적인 공식이었습니다.수학을 포함하지 않기 때문에 제2법칙과 엔트로피 모두에 대한 현대적인 이해의 시작점이 되기도 합니다.카르노가 열기관, 평형, 열 저장고에 초점을 맞춘 것은 엑서지의 밀접한 관련 개념을 이해하는 가장 좋은 진입점이기도 합니다.

카르노는 그의 시대에 유행했던 잘못된 열에 대한 열에 대한 이론을 믿었지만, 그럼에도 불구하고 그의 사고 실험은 자연의 근본적인 한계를 묘사했습니다.운동 이론이 19세기 초중반까지 열역학을 대체하면서 여러 과학자들이 열역학 제1법칙과 제2법칙에 수학적 정밀성을 추가하고 엔트로피의 개념을 발전시켰습니다.카르노는 열역학적 한계 이상의 인간 규모의 과정에 초점을 맞추면서 물리학에서 가장 보편적으로 적용 가능한 개념으로 이끌었습니다.엔트로피와 제2법칙은 오늘날 양자역학에서 물리우주론에 이르는 분야에 적용됩니다.

깁스

1870년대에 Josiah Willard Gibbs는 많은 양의 19세기 열화학을 하나의 콤팩트 이론으로 통합했습니다.깁스의 이론은 열역학적 평형과 그들의 변화에 대한 잠재력을 기술하는 데 있어 카르노가 시작한 오래된 연구에 화학적 평형으로부터 멀리 떨어져 있을 때 변화를 일으키는 화학적 잠재력의 새로운 개념을 포함시켰습니다.깁스의 통일 이론은 열역학적 평형과의 차이를 설명하는 열역학 퍼텐셜 상태 함수의 결과를 가져왔습니다.

1873년 깁스는 "몸과 매질의 이용 가능한 에너지"라는 수학을 오늘날과 ^[3]같은 형태로 유도했습니다.(위의 식 참조).엑서지를 설명하는 물리학은 그 이후로 거의 변하지 않았습니다.

헬름홀츠

1880년대 독일 과학자 헤르만 폰 헬름홀츠는 닫힌계에서 ^[56]가역적으로 얻을 수 있는 최대의 일에 대한 방정식을 도출했습니다.

불평불호통

1956년 유고슬라비아 학자 조란 란트(Zoran Rant)는 엑서지(Exergy)의 개념을 제안하여 깁스와 헬름홀츠의 연구를 확장시켰습니다.그 이후 엑서지 분석의 지속적인 발전은 열역학에 많은 응용을 보여주었고 엑서지는 그 ^[56]환경과 관련하여 시스템에서 얻을 수 있는 최대 이론적 유용한 작업으로 받아들여졌습니다.

참고 항목

• 열역학적 자유 에너지
• 엔트로피 생성
• 에너지: 세계 자원과 소비
• 에머지

메모들

참고문헌

추가열람

• Bastianoni, E.; Facchini, A.; Susani, L.; Tiezzi (2007). "Emergy as a function of exergy". Energy. 32 (7): 1158–1162. doi:10.1016/j.energy.2006.08.009.
• 스티븐 제이 클라인 (1999).엔트로피와 해석적 열역학에 관한 연구, 라 카냐다, 캘리포니아: DCW 산업ISBN 1928729010.

외부 링크

• 에너지, 엑서지 통합, 국제 학술지
• Exergy/Availability에 대한 주석이 달린 참고 문헌
• 엑서지 – 괴란 월의 유용한 개념
• 괴란 월의 자율학습을 위한 운동학 교재
• 엑서지 바이 이시도로 마르티네스
• 엑서지 포털의 엑서지 계산기
• 글로벌 엑서지 리소스 차트
• IEA ECBCS 부속문서 37, 건물 냉난방 저엑서지 시스템 안내서
• 엑서지의 개념 소개