Решение задачи: В каких случаях эксергия не отличается от нуля?

Вот решение задачи и ответы на вопросы, оформленные так, чтобы было удобно переписать в тетрадь школьнику. ***

В каких случаях эксергия не отличается от нуля?

Выберите один ответ: 1. Когда отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой 2. Когда нет никаких взаимодействий с окружающей средой 3. Для тех видов энергии, которые не характеризуются энтропией 4. Эксергия отличается от нуля всегда 5. Для энергий, характеризуемых энтропией ***

Решение:

Для того чтобы ответить на вопрос, когда эксергия не отличается от нуля, необходимо вспомнить определение эксергии и условия, при которых она становится равной нулю. Эксергия — это максимальная полезная работа, которую можно получить от системы при ее взаимодействии с окружающей средой, находящейся в равновесном состоянии. Другими словами, эксергия — это мера отклонения системы от равновесия с окружающей средой. Окружающая среда (или "мертвое состояние") — это состояние, в котором система находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой. В этом состоянии система не может совершать полезную работу, так как нет никаких движущих сил (разностей температур, давлений, концентраций и т.д.) для взаимодействия с окружающей средой. Следовательно, эксергия системы равна нулю, когда система находится в равновесии с окружающей средой. Это означает, что: * Температура системы равна температуре окружающей среды (\(T = T_0\)). * Давление системы равно давлению окружающей среды (\(P = P_0\)). * Химические потенциалы компонентов системы равны химическим потенциалам окружающей среды (\(\mu_i = \mu_{i0}\)). * Скорость системы равна нулю относительно окружающей среды. * Высота системы равна нулю относительно окружающей среды. Если система находится в таком состоянии, она не может совершать полезную работу, и ее эксергия равна нулю. Рассмотрим предложенные варианты: * 1. Когда отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой: Отсутствие теплообмена (адиабатический процесс) не означает, что система находится в равновесии с окружающей средой. Система может иметь другую температуру, давление или состав, и при этом не обмениваться теплотой. В этом случае эксергия может быть отлична от нуля. * 2. Когда нет никаких взаимодействий с окружающей средой: Если нет никаких взаимодействий (система изолирована), это не означает, что она находится в равновесии с окружающей средой. Система может быть изолирована, но при этом иметь высокую температуру или давление, отличающиеся от окружающей среды, и, следовательно, обладать эксергией. Эксергия равна нулю только тогда, когда система находится в равновесии с окружающей средой, то есть когда она достигла "мертвого состояния". * 3. Для тех видов энергии, которые не характеризуются энтропией: Все виды энергии, которые могут быть преобразованы в работу, так или иначе связаны с термодинамическими параметрами, включая энтропию. Это утверждение некорректно. * 4. Эксергия отличается от нуля всегда: Это неверно. Как было сказано выше, эксергия равна нулю, когда система находится в равновесии с окружающей средой. * 5. Для энергий, характеризуемых энтропией: Это слишком общее утверждение и не указывает на условие нулевой эксергии. Таким образом, эксергия не отличается от нуля (то есть равна нулю) тогда, когда система находится в полном термодинамическом равновесии с окружающей средой, что подразумевает отсутствие каких-либо потенциалов для взаимодействия и совершения работы. Из предложенных вариантов, наиболее близким к этому условию является отсутствие взаимодействий, но более точно, это состояние равновесия. Однако, если система находится в "мертвом состоянии", то она не может взаимодействовать с окружающей средой для совершения полезной работы, и ее эксергия равна нулю. Если интерпретировать "нет никаких взаимодействий с окружающей средой" как состояние, когда система уже достигла равновесия с окружающей средой и, следовательно, не может совершать полезную работу, то этот вариант становится верным. В контексте эксергии, "мертвое состояние" — это состояние, когда система не может совершать работу, то есть нет никаких *потенциальных* взаимодействий, которые могли бы привести к полезной работе. ***

Ответ:

Правильный ответ: 2. Когда нет никаких взаимодействий с окружающей средой. (Подразумевается, что система находится в равновесии с окружающей средой, и, следовательно, не может совершать полезную работу, то есть ее эксергия равна нулю).