エクセルギー|ある系の周囲の系に対して得られる理論上の最大仕事(エネルギー)

エクセルギー

エクセルギーとは、有効エネルギーとも呼ばれ、ある系が圧力・温度が変化しない周囲の系に対して得られる理論上の最大仕事(エネルギー)である。熱力学第二法則により、すべての熱をエネルギーに変えることができないため、いかに効率的に仕事に変えることができるか、を示す指標である、といえる。

エクセルギーの定義

エクセルギーとは、系に対して非平衡状態にある系の有するエネルギーから系が周囲と平衡するまでに可逆的に取り出すことのできる最大仕事である。よって周囲と平衡状態にある場合、系のもつエクセルギーは0となる。

エクセルギーの目的

熱エネルギーを仕事に変えるとき、必ずエネルギー損失を出してしまうが、全エネルギーから使うことができるエネルギーをエクセルギー(有効エネルギー)といい、使うことができないエネルギーをアネルギー(無効エネルギー)という。どこまで効率的に使えるかを理解するのに有効で、効率の良いシステムを設計するために非常に有効である概念である。

運動エネルギー、位置エネルギー、電気エネルギー

運動エネルギー、位置エネルギー、電気エネルギーは、(可逆過程である場合に限り)すべて仕事に変換できるエネルギーであるためエクセルギーであるといえる。

エクセルギー=熱量×カルノー効率

熱エネルギーは、高温と低温の2つの熱源の温度差があれば力学的な仕事として取り出すことができる。エクセルギーは、理論上の使うことができる最大のエネルギーであるから、次式にように表すことができる。この式によれば、エクセルギーは、熱量×カルノー効率なので、温度差が大きければ大きいほど、カルノーサイクルの熱効率はよくなるので、取り出せる仕事は大きくなることがわかる。

エクセルギー効率

エクセルギーは理論上の最大仕事であり、現実では、それ未満の仕事量しか取り出すことができない。そのためエクセルギー効率を求める必要がある。

アネルギー

アネルギーとは、熱機関で熱エネルギーをエクセルギーに変換する際に失った温熱源に捨て去るエネルギーである。