Eksergia

Carnot

Vuonna 1824 Sadi Carnot tutki mm. James Wattin tekemiä höyrykoneen parannuksia. Carnot sovelsi teoreettista lähestymistapaa ja löysi uusia ideoita. Hän halusi selvittää, onko lämpövoimakoneen hyötysuhteelle olemassa fysikaalista ylärajaa (pienempi kuin 1). Tätä varten hänen oli kehitettävä todellisesta konekonstruktiosta riippumaton konstruktio. Hän käytti käsitteitä A ja B. Nämä ovat kaksi vakiolämpötilassa olevaan järjestelmää siten, että A:n lämpötila on korkeampi kuin B:n. A:sta voidaan ottaa ja B:hen voidaan lisätä lämpöä ilman, että niiden lämpötila muuttuu.
Carnot kuvasi sen, mitä nykyisin kutsutaan Carnot-prosessiksi, ja todisti ajatuskokeella, että mikä tahansa lämpövoimaprosessi, joka toimii tätä paremmin, on ikiliikkuja. 1820-luvulla ikiliikkuja oli jo todettu silloisen tietämyksen mukaan mahdottomaksi.
Lämpövoimaprosessin hyötysuhteen yläräjan määritys on ensimmäinen moderni termodynamiikan toisen pääsäännön muotoilu. Koska siihen ei liity matematiikkaa, sitä käytetään yhä esiteltäessä toista pääsääntöä ja entropiaa. Carnot'n lämpövoimakoneisiin, tasapainoon ja lämpölähteisiin sekä -nieluihin keskittyvä esitys on hyvä johdanto myös asiaan läheisesti liittyvään eksergian käsitteeseen.
Carnot'n aikaan 1800-luvun alkupuolella käytettiin virheellistä kalorista lämmönteoriaa, mutta sen syrjäytti kineettinen teoria vuosisadan puoliväliin mennessä. Lukuisat tieteilijät lisäsivät matemaattisen esityksen ensimmäiseen ja toiseen termodynamiikan pääsääntöön sekä kehittivät entropian käsitteen. Näin Carnot'n höyrykoneesta alkanut työ on päätynyt kaikkein universaaleimpaan fysiikan lakiin. Entropiaa ja toista pääsääntöä käytetään kvanttifysiikassa ja kosmologiassa sekä kaikessa tältä väliltä.

Gibbs

1870-luvulla Josiah Willard Gibbs kokosi suureen määrän 1800-luvun termokemiaa yhtenäiseksi teoriaksi. Gibbsin teoria sisälsi uuden käsitteen: kemiallisen potentiaalin. Tämä aiheuttaa muutoksen samalla tavoin kuin termodynaaminen potentiaali. Gibbsin yhtenäisteoria johti termodynaamisen potentiaalin tilafunktioon, joka kuvaa eroa termodynaamisesta tasapainosta.
1873 Gibbs muotoili "kappaleen ja väliaineen käytettävissä olevan energian" matemaattisesti, muotoon joka sillä on myös nykyisin. Eksergian kuvaava fysiikka on sittemmin muuttunut vain vähän. Termin eksergia esitti 1956 Zoran Rant: sana muodostuu kreikan sanoista eks- ja ergon, jotka tarkoittavat 'työstä'.

Yhteenveto

Eksergia mittaa, kuinka järjestelmä kykenee aiheuttamaan muutosta järjestelmän siirtyessä tasapainoon ympäristönsä kanssa. Kun järjestelmä on saavuttanut ympäristönsä tilan, sen eksergia on nolla eikä se voi enää aiheuttaa muutosta. Tätä sanotaan järjestelmän kuolleeksi tilaksi.
Toisin kuin energia, joka säilyy kiertoprosesseissa, palautumaton kierto vähentää eksergiaa. Tällainen eksergian väheneminen on suhteessa entropian lisääntymiseen systeemin ja sen ympäristön kokonaisuudessa. Eksergia on siis systeemin ja sen ympäristön yhteinen ominaisuus. Tästä syystä eksergia ei ole termodynaaminen aineen ominaisuus eikä systeemin termodynaaminen potentiaalikaan. Kuitenkin se on kaikkein käyttökelpoisin näiden arvojen sovellus ja lasketaan näiden pohjalta. Eksergian ja energian yksikkö on sama kuin työn eli Joule. Eksergia ja energia ovat tilafunktioita, vaikka työ ei ole tilafunktio.