Exergia Sistemelor Ecologice

LECŢIA V. Exergia sistemelor ecologice. Definiţie. Exergia şi informaţia. Calculul exergiei reieşind din energia chimică a biomasei

Exergia ( de la greg. ek, ех — nivel înalt, şi ergon — lucru) este lucrul maxim, care poate fi efectuat de sistemul termodinamic la trecerea din starea dată în starea de echilibru cu mediul ambiant. Exergia uneori mai este numită şi capacitatea de lucru a sistemului.

Exergia (Ex) derivă direct din a doua lege a termodinamicii şi poate fi scrisă ca:

Unde U, V, S şi ni (energia internă, volumul, entropia şi numărul de moli) sunt variabile extensive ale sistemului, dar P0, T0 and µi0 (presiunea, temperatura şi potenţialul chimic) sunt variabile intensive ale mediului. Prin dezvoltarea funcţiei U obţinem:

După cum se poate de observat, Ex este o funcţie de variabile intesive. Dacă sistemul are tempoeratura T mai mare decît a mediului ambiant, dar aceeaşi presiune şi potenţial chimic, atunci acest sistem are o Ex proporţională cu gradientul temperaturii. Atunci cînd nu există diferenţă de temperatură cu mediul ambiant, nu se mai efectuează nici un lucru şi Ex este egală cu zero. Exergia este o funcţie de stare care depinde de variabilele atît a sistemului, cît şi a mediului ambiant ales ca referinţă. Problema selecătrii acestei referinţe este legată de informaţia pe care o vom obţine de la sistem.

De obicei, în analiza exergiei se aplică temperaturas şi presiunea pămîntului, pentru a calcula exergia compuşilor chimici. Syargut a propus cîteva substanţe de referinţă (Szargut and Morris, 1988), care nu sunt în stare pură, cu o concentraţie standard în atmosferă pentru substanţele gîzoase, în hidrosferă pentru substanţele lichide şi în litosferă pentru substanţele solide. Aceasta implică unele erori, însă sunt de utile pentru comparaţie în sistemele analizate.

Exergia şi teoria informaţiei

Reamintim, conform legii lui Shannon-Weaver, informaţia este descrisă de ecuaţia:

Pentru a introduce dependenţa exergiei de informaţie, trebuie de prezentat teoria lui Kullback (1959) despre informaţia relativă. Conform acestei teorii poate fi calculată rentabilitatea informaţiei. Chiar dacă nu cunoaştem numărul exact de microstări, putem reamplasa distribuţia noastră P(0) cu una nouă P. Rentabilitatea informaţiei în aşa caz, numită informaţia lui Kullback, va avea forma:

Valoarea lui K nu poate fi negativă, darf poate cel puţin să fie egală cu zero, K≥0, deoarece o nouă observaţie poate cel puţin să nun e modifice cunoştinţele noastre despre sistem, dar nicidecum să ni le reducă. După cum a fost menţionat anterior, abilitatea sistemului de a efectua un lucru, depinde de divierea de la echilibrul termodinamic. Să ne imaginăm un system larg, descris de probabilitatea de distribuire pi(0) şi un subsistem care deviază de la echilibru şi urmat de o nouă probabilitate de distribuire pi. Informaţia relativă a subsistemului poate fi utilizată pentru a descrie lucrul efectuat de sistem cînd atinge echilibrul termodinamic cu mediul (exergia). Expresia informaţiei lui Kullback exprimată prin exergie, devine:

Unde kb este constanta lui Boltzmann şi T0 este temperature mediului. Exergia încadrată într-un bit de informaţie, la 27°C, este de cca 3•10-21 J.

Costul, din punct de vedere exergetic, de creare a informaţiei de obicei este mult mai mare decît conţinutul exergetic al însăşi informaţiei (Wall and Gong, 2001; Lindgren, 2003). Această regulă, însă nu este respectată de sistemele vii, care conţin o imensă informaţie în corpurile lor. Ideea de bază adusă de Jorgensen în eco-exergie, este de a lua în consideraţie atît exergia fizică, cît şi cea informaţională.

Eco-exergia

Eco-exergia cu success a fost aplicată pentru a caracteriza modelul dynamic structural (Jørgensen, 2002) şi ca un indicator ecologic holistic (Jørgensen et al., 2004). Ecoexergia exprimă capacitatea de lucru care presupune în calitate de referinţă acelaşi sistem (ecosistem) în stare de echilibru termodinamic, adică cînd toţi componenţii sunt anorganici, la cea mai înaltă stare de oxidare şi toţi componenţii sunt omogen distribuiţi în sistem (fără gradienţi