엑서지 효율

엑서지 효율(제2법칙 효율성 또는 합리적 효율이라고도 함)은 가역 조건에서의 성능에 대한 시스템의 효과를 계산한다. 열엔진용 시스템의 이상화 또는 가역화 버전에 비해 실제 시스템의 열효율의 비율로 정의된다. 그것은 또한 노동이 많이 소요되는 시스템에 대한 가역적인 작업 산출물에 대한 시스템의 유용한 작업 산출물의 비율이라고 설명할 수 있다. 냉장고와 열펌프의 경우 실제 COP와 가역 COP의 비율이다.

동기

제2법칙의 효율성이 필요한 이유는 제1법칙의 효율성이 비교를 위해 이상화된 시스템 버전을 고려하지 못하기 때문이다. 제1법칙의 효율성만을 사용하면 시스템이 실제보다 더 효율적이라고 믿게 될 수 있다. 따라서, 제2법칙의 효율성은 시스템의 효율성에 대한 보다 현실적인 그림을 얻기 위해 필요하다. 열역학 제2법칙에서는 어떤 시스템도 100% 효율적일 수 없다는 것을 증명할 수 있다.

정의

프로세스의 엑서지 B 균형은 다음을 제공한다.

B_{\text{in}}=B_{\text{out}+B_{\text{lost}+B_{\text{destroy}}}}

(1)

다음과 같이 정의된 엑서지 효율:

\eta_{B}={\frac {B_{\text{out}}}{B_{\text{in}}}}=1-{\frac {\frac(B_{\text}{lost}}+B_{destroy}\right)}}}{B_{\text{in}}

(2)

많은 엔지니어링 시스템의 경우 이를 다음과 같이 바꾸어 사용할 수 있다.

\eta_{B}={\frac {{\dot{W}_{\text{net}}}{{\dot{m}}{\text{fuel}}\Delta G_{{}}}}}}{\dot{m}}}}}}}}{\dottext}}}}}}}T}^{0}}}

(3)

여기서 $\Delta G_{T}^{0}$ $\Delta G_{T}^{0}$ $\Delta G_{T}^{0}$ 0 ${\$ $T}^{0}}$ is the standard Gibbs (free) energy of reaction at temperature $T$ and pressure $p_{0}=1\,\mathrm {bar}$ (also known as the standard Gibbs function change), ${\dot {W}}_{\text{net}}$ is the net work output and ${\dot {m}}_{\text{fuel}}$ ${\디스플레이스타일$ {\ $dot{m}_{\text{fuel$ }}}은 $($ 는 ${\dot {m}}_{\text{fuel}}$ ) 연료의 질량 유량이다.

에너지 효율은 다음과 같이 정의할 수 있다.

\eta _{E}={\frac {{\dot{W}_{\text{net}}{{\dot{m}}{\text{fuel}}\Delta H_{{}}}}}}{\dot{m}}}}}}}}{\dottext}}}}}}}T}^{0}}}

(4)

여기서 $\Delta H_{T}^{0}$ $\Delta H_{T}^{0}$ $\Delta H_{T}^{0}$ 0 ${\$ $T}^{0$ $}}$ 는 $T$ 모든 연료 $\Delta G_{T}^{0}<\Delta H_{T}^{0}$ $\Delta G_{T}^{0}<\Delta H_{T}^{0}$ $\Delta G_{T}^{0}<\Delta H_{T}^{0}$ $\Delta G_{T}^{0}<\Delta H_{T}^{0}$ < $\Delta G_{T}^{0}<\Delta H_{T}^{0}$ $\Delta G_{T}^{0}<\Delta H_{T}^{0}$ $\Delta G_{T}^{0}<\Delta H_{T}^{0}$ $0>{\$ $P_{0}=1\\\mathrm {bar}}$ 에 $p_{0}=1\,\mathrm {bar}$ $p_{0}=1\,\mathrm {bar}$ 의 표준 엔탈피이다 $\Delta H^{0}_{T}$ $.$ $T}^{0}<\Delta H_{$ $T}^{0}}$ 따라서 $\Delta G_{T}^{0}<\Delta H_{T}^{0}$ 엑서지 효율은 항상 에너지 효율보다 커야 한다.

적용

엑서지의 파괴는 엔트로피 생성과 밀접하게 연관되어 있으며, 따라서 매우 되돌릴 수 없는 과정을 포함하는 시스템은 낮은 에너지 효율을 가질 것이다. 예를 들어 발전소 가스 터빈 내부의 연소 과정은 매우 되돌릴 수 없으며 엑서지 입력의 약 25%가 여기서 파괴될 것이다.

화석 연료의 경우 반응의 자유 엔탈피는 보통 반응 엔탈피보다 약간 작기 때문에 등식 (3)과 (4)에서는 에너지 효율이 그에 상응하여 에너지 법 효율보다 더 클 것이라는 것을 알 수 있다. 예를 들어 메탄을 태우는 일반적인 조합 사이클 발전소는 55%의 에너지 효율을 가질 수 있지만 엑서지 효율은 57%가 될 것이다. 100% 엑서지 효율이 높은 메탄 연소 발전소는 98%의 에너지 효율에 해당할 것이다.

이는 우리가 사용하는 많은 연료의 경우 달성 가능한 최대 효율이 90% 이상이지만 열엔진이 사용되고 있어 여러 상황에서 카르노 효율에 제약을 받는다는 것을 의미한다.

카르노 열 엔진 관련

일반적인 오해는 엑서지 효율이 주어진 사이클을 카르노 열 엔진과 비교한다는 것이다. 이것은 Carnot 엔진이 가능한 가장 효율적인 열 엔진이지만, 작업 생성에 가장 효율적인 장치는 아니기 때문에 부정확하다. 예를 들어, 연료 전지는 이론적으로 카르노 엔진보다 훨씬 높은 효율에 도달할 수 있다.^[1]^[2]

최대 전력에서 제2법률 효율성

열역학 제1법칙도 제2법칙도 에너지 변환률 측정치는 포함하지 않는다. 에너지 변환의 최대 속도 측정치가 제2법률 효율의 측정에 포함될 경우, 최대 전력 하에서의 제2법률 효율로 알려져 있으며, 최대 전력 원리(Gilliland 1978, 페이지 101)와 직접 관련이 있다.

참고 항목

참조

^ Atkins, Peter (2002). Physical Chemistry (7th ed.). Oxford University Press. pp. 96, 262, 1038. ISBN 0-7167-3539-3.
^ Hamann, Carl (2007). Electrochemistry (2nd ed.). Wiley-VCH. p. 486. ISBN 978-3-527-31069-2.

M.W. Gilliland (1978) 에너지 분석: 새로운 공공 정책 도구인 Westview Press.
유나스 A. 첸겔, 마이클 A. 볼트(2015) 열역학: 엔지니어링 접근방식, McGraw-Hill Education.

[1] Atkins, Peter (2002). Physical Chemistry (7th ed.). Oxford University Press. pp. 96, 262, 1038. ISBN 0-7167-3539-3.

[2] Hamann, Carl (2007). Electrochemistry (2nd ed.). Wiley-VCH. p. 486. ISBN 978-3-527-31069-2.

[1]

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