Exergie und Anergie

Die Energie eines Systems oder die von einem Wärmestrom transportierte Energie kann in zwei Teile unterteilt werden: Exergie und Anergie. (Diese ergeben in der Summe genau die Energie.) Arbeit transportiert hingegen reine Exergie.

Die Exergie bezeichnet dabei den Anteil der Energie, der in Arbeit umgewandelt werden kann. Oder anders ausgedrückt: Exergie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten.

Die Anergie hingegen ist der Teil der Energie, der (außer evtl. zum Heizen) keinen Nutzen hat und nicht in Arbeit umgewandelt werden kann.

Zentral für das Verständnis von Anergie und Exergie ist, dass sich diese beiden Zustandsgrößen nur unter Berücksichtigung der Umgebung bestimmen lassen: Der Wert eines Glases mit Wasser ist nicht objektiv feststellbar; in der Wüste ist sein Wert sicherlich deutlich höher als an einem Regentag in Schottland.

Genauso verhält es sich mit der Exergie: Ein Druckluftbehälter mit einem Druck von 5 bar und einer Temperatur, die gleich der Umgebungstemperatur ist, enthält in einer Umgebung mit einem Druck von 1 bar eine gewisse Exergie. In einer Umgebung mit 5 bar jedoch keine, sondern nur Anergie. (In einer Umgebung mit 10 bar enthält er jedoch wieder Exergie.)

Zusammengefasst kann man also sagen, dass jedes System, das von den Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, Konzentration) abweicht - egal ob nach oben oder unten - Exergie enthält. Je mehr es sich den Umgebungsbedingungen angleicht, umso höher wird der Anergieanteil, bis das System in dem Moment, da es im Gleichgewicht mit dem Umgebungszustand ist, nur noch aus Anergie besteht.

Die Exergie eines Wärmestroms wird bestimmt, indem der Wärmestrom mit dem Carnot-Faktor multipliziert wird, der wiederum von der Temperatur des Wärmestroms und der Temperatur der Umgebung abhängt.

Um die Exergie eines geschlossenen Systems vollständig in technische Arbeit umzuwandeln und an ein anderes System abzugeben, müssen immer die folgenden zwei Zustandsänderungen durchlaufen werden: Das System muss adiabat/isentrop auf die Umgebungstemperatur gebracht werden (dabei leistest es Arbeit oder nimmt Arbeit auf). Dann muss es isotherm auf Umgebungsdruck gebracht werden (dabei werden Arbeit und Wärme ausgetauscht).

Soll ein geschlossenes System von Umgebungsbedingungen auf einen Zustand gebracht werden, der von den Umgebungsbedingungen abweicht, so muss netto Arbeit investiert werden (schließlich wird das System dabei ja mit Exergie 'aufgeladen'). Um diese Arbeit zu minimieren, muss der einen Absatz weiter oben beschriebene Weg rückwärts gegangen werden: isotherm, dann adiabat/isentrop.

Soll ein geschlossenes System von einem Zustand 1, der von den Umgebungsbedingungen abweicht, auf einen Zustand 2, der ebenfalls von den Umgebungsbedingungen abweicht, gebracht werden, so ist die minimal dabei zu investierendes Arbeit gleich der Differenz der Exergien der beiden Zustände Ex2 - Ex1. (Ist die Exergie im Zustand 1 größer als im Zustand 2, so ergibt sich die maximal gewinnbare Arbeit.)