 |
Иерархическая структурная схема энергии сложной системы
|
|
|
|
Рассмотрим структуры физической энергии сложной системы (энергодинамической системы физических величин и понятий, ЭСВП) [8].
В соответствии с энергодинамической системой физических величин и понятий (ЭСВП) [12, 13] распределения энергии по видам, формам движения и уровням иерархии рассмотрения представляется схемой Рис. 1.
На Рис.1 связи между общей энергией и видами (составными, аддитивными частями) указаны сплошными линиями.
Связи штриховые относятся к дополнениям классификации Гиббса.
Связи штрихпунктирные относятся к дополнениям классификации Гельмгольца.
Связи точечные относятся к дополнениям Гиббса и Гельмгольца.
Все виды связей применимы только для равновесных процессов.
В случае неравновесных процессов связи по схеме ЭСВП рассматриваются для локального или детального равновесного или стационарного состояния.
В неравновесных состояниях связи обратимые с перераспределением между видами и формами энергии между видами одного уровня.
Рис.1. Структурная схема движения форм энергии в системе.
Схема ЭСВП (возникла в 1851 г. После введения У. Томсоном Кельвином понятия внутренняя энергия).
Иерархические уровни рассмотрения распределения форм и видов энергии:
Уровень 1. Общая энергия системы как целого (SIGMA,s 
) - сумма внешней и внутренней энергии системы. Общая энергия системы рассматривается (по В.А. Эткину) как сумма инергии (превратимой части) и анергии (непревратимой части)
Уровень 2. Составные части энергии системы как целого.
Внешняя энергия состоит из кинетической 
и потенциальной 
энергий системы как целого (эти виды энергии в сумме составляют полную механическую энергию системы в целом).
|
|
|
Внутренняя энергия системы - энергия системы, зависящая от внутреннего состояния и не включающая в себя виды энергии системы как целого.
Энтальпия системы 
(теплосодержание) определяется суммой внутренней энергии системы и работы взаимодействия со средой.Уровень 3. Структура системы по видам энергии.
Механическая энергия 
(сумма кинетической и потенциальной) энергии системы. Внутренняя энергия 
системы.
Работа сил взаимодействия со средой 
.
Свободная энтальпия Гиббса 
, (
- связанная энергия (произведение температуры 
и энтропии 
)).
Уровень 4. Виды энергии системы как целого.
Механическая энергия упорядоченных движений (кинетическая 
и потенциальная 
). Свободная энергия 
(работоспособная часть внутренней энергии) системы. Связанная энергия системы (часть внутренней энергии, связанная с хаотическим движением составляющих систему частиц или обесцененная часть энергии)
Уровень 5. Формы энергии системы (механическая 
, электрическая (магнитная, электромагнитная) 
, тепловая 
, химическая 
и т.д.).
Электрическая и тепловая энергии разделяются на энергии, поставляемые в систему для обеспечения функционального назначения (индекс «е») и виды энергии, получаемые от внутренних процессов в системе (индекс «i»).
На схеме синие прямоугольники относятся к поставке в систему внешней (от первичных источников или от альтернаторов) электрической 
и тепловой энергий 
Уровень 6. Виды энергии отдельных форм движения (кинетическая, потенциальная, энергия диссипации, энергия превращений). На уровне предусматривается рассмотрение потерь и притоков энергии и перераспределение энергии между формами движения.
В соответствии со структурной схемой программами энергосбережения и повышения энергоэффективности ставится вопрос о полной или частичной замене двух форм энергии пятого иерархического уровня.
|
|
|
Отметим, что изменение источника (одного или двух) энергии этого уровня влечет за собой
изменение других форм энергии этого уровня (химической, излучения, обмен веществом);
изменение обменов видами форм энергии шестого уровня (перераспределения видов энергии);
изменение структуры энергий вышележащих уровней (уровни два - четыре) за счет изменения диссипативных структур.
Поэтому простая полная или частичная замена поставщика формы энергии обязана вызвать пересмотр структурной схемы общей энергии системы. Поставленная замена не решает вопроса фактического значения форм энергии, подлежащих изменению.
Во всех случаях задача основывается на величинах заданного расчетного (фактического) количества энергии, которое тем, или иным методом изменяется или изменяется поставщик заданного уровня энергии.
В направлениях решения задач энергосбережения и энергоэффективности отсутствует существенный раздел, связанный с методом определения объемов энергопотребления.
Решение задач определения объемов энергопотребления, представляющие собой движения форм энергии, возможны методами:
классической механики и теплотехники (современный наиболее часто используемый способ решения) путем рассмотрения:
твердых недеформируемых тел и общей теплотехники (энергостатика);
твердых деформируемых тел (сопротивление материалов, строительная механика и техническая теплотехника).
Рассматриваются изолированные системы с детерминированными значениями переменных состояния;
механики сплошной среды и энергокинематики;
Рассматриваются консервативные закрытые системы с непрерывными значениями переменных состояния.
теории открытых систем и энергодинамики (методы расчета синтеза и движения форм энергии) с переходом к рассмотрению задач методами физической и химической кинетики.
Рассматриваются открытые системы со стохастическими переменными состояния.
Современный метод определения объема форм энергии (электрической и тепловой) основан:
на максимально возможных величинах интенсивных переменных состояния;
на экспериментальных характеристиках материалов без учета неравновесных состояний и необратимых процессов;
на использовании постулатов классической механики и теплотехники для состояний равновесия.
|
|
|
Из рассмотрения структурной схемы Рис.1 следует:
для неподвижной системы должна рассматриваться общая энергия системы (сумма полной механической энергии внешних сил и внутренней энергии системы);
внутренняя энергия системы может быть двухзначной и зависит от знака связанной энергии неравновесных процессов (знака энтропии);
если учитывать только полную механическую энергию (как это делается в настоящее время), то система вследствие неравновесных необратимых процессов и изменения диссипативных структур будет постепенно деградироваться.
Имеется немало примеров, когда система разрушалась еще в процессе становления (монтажа или строительства) или при малом сроке функционирования. Поэтому основным вопросом является выбор метода определения форм энергии.
|
|
|
