엑서지 Exergy

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엑서지 Exergy

엑서지(Exergy)는 어떤 주어진 상태의 에너지원이 환경상태와 열역학적 평형상태에 도달할 때까지 얻을 수 있는 일의 최대양이다. 즉, 에너지원에서 얻을 수 있는 최대 유용 일(useful work)이다. 가용성(availability), 가용에너지라고도 부른다. 

엑서지를 분석하기 위해서는 사장상태(dead state)를 선정해 주어야 한다. 

계가 주위와 열역학적 평형을 이루고 있을 때 계는 사장상태(dead state)에 있다고 한다. 사장상태에 있는 계는 주변환경과 온도와 압력이 동일한 열적 평형 및 기계적 평형 상태로서 열교환이나 일의 변화가 없다. 또한 화학적 불활성 상태인 주변환경과 화학반응을 일으키지 않는다. 뿐만 아니라 전기적, 자기적, 표면장력도 주변환경도 동일하여 균형을 이루고 있는 상태이다.

에너지원의 상태에서 사장상태로 나아가는 과정에서 최대로 얻을 수 있는 일을 엑서지(Exergy)라고 하는 것이다.  

엑서지의 반대로, 에너지원의 초기상태에서 사장상태로 나아가면서 불가피하게 손실되어서, 실제 유용하게 사용할 수 없는 에너지, 불용에너지는 아너지(Anergy)라고 부른다. 

^[각주:1]

^[각주:2]

엑서지는 물리적엑서지, 화학적엑서지, 속도엑서지, 위치엑서지 등으로 이루어져 있다. 

속도엑서지와 위치엑서지는 물리적엑서지에 비해 상당히 작으므로 일반적인 열적시스템에서 생략 가능하며, 증기는 단일원소로 이루어져 있으므로 화학적엑서지는 0이다. 따라서 정상 상태의 시스템에서 물 및 증기에 대한 엑서지와 엑서지율의 수식은 다음과 같다.

여기서 ex는 비엑서지, h는 비엔탈피, T는 절대온도,s는 비엔트로피, ε는 엑서지율, 그리고 하첨자 0는 사장상태(dead state)를 뜻한다.

그림 1. Thermal exergy contained by air as a function of temperature, Tr. Environmental temperature, To, is 288 K. Air volume is assumed to be 81m3 (= 6m x 5m x 2.7m). 

고립계의 엑서지는 항상 감소하고, 과역 과정의 경우에만 일정하게 유지된다. 즉, 엑서지는 과정동안 결코 증가하지 않고 파괴된다. 마찰, 혼합, 화학반응, 유한한 온도차를 통한 열전달, 자유팽창, 비평형 압축 또는 팽창과 같은 과정에서 비가역성들은 항상 엔트로피를 생성하고, 엔트로피를 생성하는 것은 항상 엑서지를 파괴(exergy destruction)시킨다.  

엑서지율(Exergy ratio)은 엑서지와 그 유체가 보유한 에너지의 비로, 보유한 에너지의 유용도를 나타낸다.^[각주:3]

터빈입구의 엑서지는 최대발전량을 그리고 엑서지율은 최대발전효율을 대표한다고 할 수 있다.

이것은 핀치기법과 함께 공정진단 및 시스템 최적화설계에서 중요한 인자이며, 발전, 열병합, 열교환, 냉동, 열펌프, 냉열, 화학 등의 다양한 분야에서 활발히 적용되고 있다. 

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2015. 12. 01 작성

2015. 12. 26 수정

1. http://www.swedishexergy.com/what-is-exergy [본문으로]
2. http://www.lowex.net/guidebook/the_exergy_%20approach/the_exergy_%20approach.htm [본문으로]
3. 발전 플랜트의 엑서지 해석으로부터 발전량 및 발전효율 최적화, 김덕진, THE PLANT JOURNAL Vol.10 No.2 June 2014 [본문으로]