この間の全体系のエントロピー増加量は次式となる。あるので、次式が成立する。(-Q_{I})-(-Q_{R})=W_{gR}-W_{gI}}が成立する。S^{*}}となる[1](証明終わり)。エネルギー収支とエクセルギー収支[編集]物質の出入りを伴う開いた系では、熱力学第一法則(エネルギー保存則)により、出入りするエンタルピー、熱、仕事(工業仕事)の間に保存則が成り立つ。したがって、ある機器に流入するエネルギーと流出するエネルギーをリストアップし、両者の差を求めれば、それは、放熱や漏洩などにより(機器外へ逃げて)失われたエネルギーとなる。ある機器のエネルギー(エンタルピー)の流れは右図のようになる。エクセルギーは、機器内で非可逆変化が生じれば、グイ=ストドラの定理にしたがって必ず減少する。ある機器のエクセルギーの流れは右図のようになる。エクセルギー評価は熱力学第二法則に基づく評価ということもできる。各機器のエクセルギー評価を行うには、以下のような手順に沿えばよい。外界と平衡する状態を選定する。これには、次節を参考にできる。系(機器)に流入する物質、熱、仕事を列挙し、流入エネルギー(エンタルピー)を求める。物質のエンタルピーの原点は通常は便宜的(例えば三重点の水等)に定められているので、外界と平衡する状態のエンタルピーとの差を用いるのがよい。系から流出するエネルギー(エンタルピー)についても同様に行う。両者の差を求めて、未知のエネルギー損失(放熱、漏洩等)を推定する。推定した放熱、漏洩等も含めて、流入・流出エネルギーをエクセルギーに換算する。流入エクセルギーと流出エクセルギーの差を求めて、機器内のエクセルギー損失を推定する。エンタルピーを用いたエネルギー収支では、その機器内でどれだけの(エクセルギーの)損失があったかは分からない。プラント等)で、設備を構成する全機器のエネルギー収支を集計した結果、外界へ放出する熱量の増加となって現れる。どの機器の何を改善すれば損失が減るかは、勘と経験をもとにして試行錯誤を行わなければ知ることができない。これに対して、エクセルギーを用いた評価では、それぞれの機器ごとに原因別に損失の内訳が明らかになるので、これを用いて見通しよく改善策を立案することができる。ここにエクセルギー評価の最大のメリットがある。外界との平衡状態の選び方[編集]エクセルギーを求めるには基準状態となる「外界と平衡する状態」を確定する必要がある。者を満たすことを意味している。このうち、関与するプロセスによってはいくつかの条件を満たさなくてもよい場合があり、また、実用上考慮しなくてよい場合もある。以下に実用上妥当な外界条件の決め方を例示する[1][2]。温度が外界温度に一致する。復水式蒸気タービン設備や空調機の室外機などのように、系と外界とが伝熱管等を介して間接的に(熱的にのみ)接触する場合、圧力は外界と同じになる必要はなく、また化学的な平衡も必要ない。温度および圧力が外界に一致する。内燃機関、ガスタービン、ボイラなどの燃焼排ガスは外気と直接接触混合するので、温度に加えて圧力も外界と一致する必要がある。温度、圧力が外界に一致することに加えて、拡散・反応によって外界を構成する物質と化学的にも平衡する。前記の燃焼排ガスが外界(大気)と平衡するのは、厳密には排ガス成分の拡散や何らかの化学反応を経た後となるが、現実には、拡散過程やこれらの化学反応から有用な仕事を得る手段がないため、化学的平衡を無視しても問題ない。実用上、このタイプの平衡を考えなければならない場合は多くないと思われる。エクセルギー評価の具体例[編集]対象設備[編集]右図のようなボイラとタービンを用いた自家発電(熱電併給)設備を例に、エクセルギー評価の方法について解説する(書籍[1]を参考にしているが、大幅に変更簡略化している)。全プロセスの模式図ボイラで燃料を燃やして過熱蒸気を発生する。ボイラで発生した過熱蒸気は長い管路を通って、蒸気タービンへ導かれる。気圧)を用いて、工場内の種々の加熱用熱源として利用する(熱電併給、コジェネレーション)。比較のために、外界温度の復水器を用いて全て動力として取り出す場合(発電のみ)も並行して計算し、検討の材料とする。このような自家発電設備は、実際はかなり複雑な構成となるが、ここではエクセルギー評価の概要と利点を紹介することを目的としているので,空気予熱器や脱気器などの副次的な機器はないものとし、できる限り簡略化した構成とする。対象とした設備の各部における蒸気等の条件[9]を下表に示す。0.899また、用いた外界条件を下表に示す。重油を燃料とする燃焼器(ボイラ)で、燃料の化学的エネルギーを熱エネルギーに変換するプロセスを取り上げる。