<<
>>

4.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС   ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭКСЕРГИИ


Рассмотрим этот вопрос, следуя монографии С. Сато. Общий процесс производства процесса показан на рисунке 4.5. Символы определены в таблице 4.1.
Ресурсы для производства имеют внутреннюю энергию U, объем V и энтропию S.
Изделия и отходы производственной системы имеют внутреннюю энергию (U - AU), объеми энтропию
Количествообозначает работу при увеличении
объема ресурса.

Рис. 4.5
Энтропия и энергетический баланс производственной системы


Таблица 4.1
Обозначения для энтропии и энергетического баланса




Баланс энтропии. Энтропия высвобождается из системы производства двумя путями: с изделиями и отходами с теплом
Обозначимполную энтропию, выделенную в процессе производства. Тогда
(4.47)
Энтропиявыделенная с теплом, рассчитывает
ся как
(4.48)
Тепловая энтропия выделяется предприятием в окружающую среду, например через морскую воду, используемую как хладагент. Большинство предприятий требует специальных типов охлаждающих сооружений, чтобы выпустить энтропию высокой температуры
Приток энтропиик производственной системе равен:
(4.49)
Баланс энтропии:
(4.50)







Таким образом, энтропия S, образовавшаяся в процессе производства, задается формулой



Исключение q из уравнений (4.58) и (4.60) дает энергию W, доступную для производственной системы:
(4.54)


Определим символом              максимальное количество
энергии, доступной для производственного процесса, если энтропия не выделялась (а = 0):
(4.55)
Эта энергияможет называться эксергией[12].
Если объем ресурса увеличивается значительно (т. е.велико) или если большое количество энтропии а произведено в процессе производства, то энергия W, доступная для производственной системы, мала.
Выход энтропии в окружающую среду. Если энтропия выпускается в окружающую среду через морскую воду, используемую как хладагент, происходит загрязнение моря. Энтропия, выпущенная с изделиями и отходами, накапливается в окружающей среде, заводских свалках и отстойных прудах. Отслужив срок, изделия также становятся отходами.
Если бы Земля была закрытой системой, то энтропия, произведенная индустриальными процессами, постоянно бы накапливалась и Земля в конечном счете умерла бы в результате повышения температуры. К счастью, Земля не закрытая, а открытая устойчивая система. Другими словами, выбрасываемая энтропия тепла:
(4.56)
выходит в космос через атмосферу.
Выход энтропии через атмосферу. Предположим, что земная поверхность получает от Солнца количество тепла:
(4.57)

Примем среднюю температуру поверхности Земли за Тх:
Тг = 288 К = 15°С.              (4.58)




Тогда приток энтропии к земной поверхности Sx рассчитывается как



Высокая температура от Солнца подогревает воду и воздух и выпаривает воду. Пар достигает атмосферы, адиабатически расширяется, охлаждается и уплотняется. В течение процесса охлаждения высокая температура выходит в открытый космос через инфракрасную радиацию. Предположим, что эта тепловая радиация проходит при температуре Т2 = 250 К = -23°С.






Тогда энтропия S2, выпущенная в открытый космос, рассчитывается как



Таким образом, чистое количество энтропии, выпущенной в космос, равняется
S2-Sx = 0,004 - 0,00347 =
= 0,00053 Вт/м2 град.              (4.61)
Указанный сброс энтропии варьируется вследствие смены сезонов года, лет, положения Земли и Солнца, а также солнечной активности. Следует отметить, что этих изменений относительно мало и Земля может рассматриваться как открытая устойчивая система.
Кроме того, главным носителем избыточной энтропии является вода. Возможен также унос энтропии в космос за счет ее прямого излучения из атмосферы и конвекции в ней.
Рассмотренные механизмы сброса (выпуска) не работают с энтропией, накопленной в отходах производства.
Как указывает С. Сато, энтропия производственных процессов на единицу площади в Японии уже достигла уровня, сопоставимого с энтропией погоды. Такое большое количество выпуска энтропии от процессов производства

может вызвать местные изменения климата, несмотря на глобально выпускаемую энтропию (S2 - 5Х) в космос.
При анализе производства с точки зрения его экологической чистоты обязательно следует учитывать увеличение энтропии за счет загрязнения среды обитания отходами. Кроме того, увеличивают (повышают) энтропию окружающей среды современные информационные системы.
Для более подробного рассмотрения этого вопроса введем понятие единицы информации — бит: один бит — количество информации, необходимый для различения двух равновероятных альтернатив. Предположим, информация J, извлекаемая из исхода бросания симметричной монеты «орел» или «решка», равна:
(4.62)
Далее введем понятие информационной энтропии системы. Предположим, что система может существовать в дискретных стационарных состояниях, причем известны вероятности Рх, Р2,              Рп, с которыми система может пе
рейти в каждое из этих состояний. Информационная энтропия такой системы определяется из выражения
(4.63)
Она характеризует неопределенность предсказания наблюдателя относительно того, в каком состоянии система находится в данный момент. Связь этой величины с физической энтропией S при п = 2 имеет вид
(4.64)
где k— постоянная Больцмана, равная 1,38- 10"12Дж/ Кбит.
Из последнего выражения следует, что для того чтобы отдать предпочтение одной из двух равновероятных альтернатив, т. е. получить 1 бит информации, необходимо затратитьДж/К
энергии.
Величина энергии, затрачиваемой на получение 1 бита информации, кажется весьма малой, но создатели современных быстродействующих компьютеров уже приблизились к так называемому тепловому пределу, который жестко ограничивает возможность вычислительных устройств.
Величину информационной энтропии необходимо учитывать при оценке экологической чистоты производства. 
<< | >>
Источник: Кривошеин Д. А., Дмитренко В. П, Федотова Н. В.. Основы экологической безопасности производств: Учебное пособие. 2015 {original}

Еще по теме 4.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС   ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭКСЕРГИИ:

  1. Глава 32 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФАКТОР. ТЕПЛИЧНЫЙ ЭФФЕКТ И ОЗОНОВАЯ ДЫРА
  2. 4.4. Расчет теплового баланса процесса
  3. Баланс нервных процессов по подвижности
  4. 1.2. Методы зонального расчета балансов процесса РОМЕЛТ
  5. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ ПРОЦЕССА РОМЕЛТ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУТЕЙ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
  6. 7. МЕТОДИКА ЗОНАЛЬНОГО РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЛАВКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА
  7. Глава 11. О характере соотношения нервных процессов в рамках их баланса по основным свойствам нервной системы
  8. Глава I Анализ технологий производства зерновых культур и использование незерновой части урожая
  9. 4.3. Расчет материального баланса процесса4.3.1. Общие положения расчета материального баланса.
  10. 1.2 Использование излишков соломы на несельскохозяйственные цели 1.2.1 Солома для производства бумаги и фибрового картона
  11. Глава 3 СТРУКТУРА АДМИНИСТРАТИВНОГО ПРОЦЕССА. ВИДЫ ПРОИЗВОДСТВ
  12. § 1. НОВЫЕ ПРОИЗВОДСТВА В АДМИНИСТРАТИВНОМ ПРОЦЕССЕ. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
  13. Использование некоторых данных психологии для улучшения педагогического процесса.
  14. Некоторые вопросы использования индексов промышленной продукции для изучения отраслевых и производственных сдвигов в промышленном производстве капиталистических стран