Energetika – Energiamenedzsment
Dr. Benkő Zsolt István, Dr. Pitrik József (2011)
Tartalom
Az energia fogalmának kialakulása történetileg a munkavégzés definíciójához kapcsolódik. Kezdetben az energiát a munkavégző képességgel azonosították, később a hőmennyiséget is hozzávették. A középiskolai tanulmányok során ezen nem is nagyon szokás túllépni. A világban tapasztalható egyre több jelenség megmagyarázáshoz azonban a fogalom árnyaltabb lett, tartalmilag bővült.
Jelenlegi ismereteink alapján az energia olyan, másra vissza nem vezethető, megmaradó, állapotjellemző skalármennyiség, ami a gravitációs tér forrása.
A munka: rendszer határfelületén fellépő energiatranszport-mennyiség, amelyet a kölcsönhatáshoz tartozó és a hőmérséklettől különböző intenzív állapotjellemző inhomogenitása, a hajtóerő hoz létre. A munka mindig impulzus átadást is jelent.
A hő: a rendszer határfelületén fellépő nyugalmi energiatranszport nélküli energiatranszport-mennyiség, melyet a hőmérséklet-eloszlás inhomogenitása, mint hajtóerő hoz létre.
Az energia megmaradása egy fontos empirikus tétel[1], amit korábban számos esetben megkíséreltek cáfolni, de főleg a XX. századi vagy újabb kísérletek bizonyították igazát. Ugyanis az energiamérleg látszólagos hiánya kivétel nélkül valamilyen új jelenség vagy részecske felfedezéséhez vezetett, mellyel az energiamérleg újra egyensúlyba került.
Az energodinamika a valóságban előforduló rendszerek energia szempontú leírására törekszik. Ilyen értelemben a klasszikus termodinamika kiterjesztésének tekinthető nem csak gáz halmazállapotú rendszerek leírására. Energodinamikai rendszerek bármilyen halmazállapotúak lehetnek, és a rendszerben egyidejűleg többnyire nem csak egyetlen kölcsönhatás, folyamat van. Mindezek ellenére a rendszer és környezetének leírására jól használhatóak a klasszikus termodinamika megállapításai, összefüggései. Így például a klasszikus termodinamika főtételei továbbra is érvényesek (a megfelelő, kiterjesztett módon értelmezve).
Az első főtétel az energiamegmaradás törvényének egyik megfogalmazása. Egy rendszer a környezetével kétféle módon cserélhet energiát. A rendezett módon történő energiacsere a munkavégzés, a rendezetlen módú a hőcsere. A szokásos alakban[2] [3]:
(2.1)
ahol ΔU a rendszer belső energiájának megváltozása, W a munka, Q a hőcsere. A főtétel ebben az alakjában akkor érvényes, ha a rendszerben nem játszódik le kémiai reakció.
A rendszer szempontjából pozitív a hőmennyiség, ha az a rendszerbe áramlik be, és negatív, ha a rendszerből áramlik kifelé. A rendszer szempontjából pozitív a munka, ha azt a rendszeren végzik külső erők (a rendszer így energiát nyer), és negatív, ha a rendszer végez munkát a környezetén (a rendszer így energiát veszít).Az I. főtétel differenciális alakja:
(2.2)
alkalmas arra, hogy bármilyen lezajló folyamatot le lehessen írni vele.
A belső energia infinitezimális alakja (dU) úgynevezett teljes differenciál. Ez matematikai megfogalmazása annak, hogy a belső energia állapotfüggvény, azaz alkalmas a rendszer teljes jellemzésére valamilyen szempont szerint.
A belső energia csak az egyik a hasonló állapotfüggvények közül, amelyek segítségével a rendszer leírható. Ezeket az állapotfüggvényeket termodinamikai potenciáloknak is nevezik [4] [5]. A többi termodinamikai potenciál:
(2.3)
a Helmholtz-féle szabad energia (T a termodinamikai hőmérséklet, S az entrópia);
(2.4)
az entalpia – régebbi irodalmakban az entalpia jele gyakran I – (p a nyomás, V a térfogat);
(2.5)
a szabad entalpia vagy Gibbs-potenciál.
[1] Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., Tankönykiadó, Budapest, 1978, pp. 385-386
[2] Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., Tankönykiadó, Budapest, 1978, pp. 386-387
[3] Litz József: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005, pp. 109
[4] Litz József: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005, pp. 159-164
[5] Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., Tankönykiadó, Budapest, 1978, pp. 391, 410-411