Exergía


Exergía

Exergía

La Sexergía es una magnitud termodinámica que indica el máximo trabajo teórico que se puede alcanzar por la interacción espontánea entre un sistema y su entorno. Informa de la utilidad potencial del sistema como fuente de trabajo.

Definida de otra forma la exergía es la porción de la energía que puede ser transformada en trabajo mecánico, la parte restante, sin utilidad practica, recibe el nombre de anergía o entropía.

La exergía determina de forma cuantitativa el valor termodinámico de cualquier recurso, y permite analizar rigurosamente el desperdicio de los recursos en las actividades de la sociedad, estableciendo pautas para su ahorro y uso eficiente.

Por ejemplo, un compuesto por un combustible y aire, si se quema el combustible obteniendo una mezcla de aire y productos de combustión ligeramente calientes, aunque la energía asociada al sistema sea la misma, la exergía del sistema inicial es mucho mayor, potencialmente es mucho más útil a la hora de obtener trabajo. Otro ejemplo es el agua de refrigeración de las centrales térmicas. Aunque la central cede una gran cantidad de energía al agua, esta solo eleva su temperatura unos grados centígrados por encima de la temperatura de su entorno, por tanto su utilidad potencial para obtener trabajo es prácticamente nula o lo que es lo mismo en términos técnicos, tiene una exergía asociada baja.

Contenido

Estado muerto

Dos sistemas en condiciones termodinámicas diferentes evolucionarán espontáneamente, por medio de transferencias de masa y energía, hacia un estado intermedio de equilibrio (el que tenga mínima energía y entropía máxima). A este estado de equilibrio se le denomina estado muerto. Cuanto mayor sean las diferencias entre sus magnitudes termodinámicas (presión, temperatura..) más trabajo podremos obtener de la interacción entre sistema y entorno.

La energía utilizable o exergía esta asociada al desequilibrio entre un sistema y su entorno, es decir que depende de la variable de dos sistemas como mínimo.

Un ejemplo de ello para entender lo anterior es: supongase una lamina metálica que se encuentra a 80 ºC, y es sumergida en agua a 4 ºC, es decir relativamente mucho mas fría, en este caso la reacción, manifestación y el nivel de exergía sera mayor que si la lamina hubiese sido sumergida en agua que se encuentra a 80 ºC, es decir que la temperatura del sistema (lamina metálica) y de su entorno (agua) es la misma (80ºC), en este caso no pasaría nada y este estado se denomina estado muerto ya que tenemos cero exergía y máxima entropía. Esto también es aplicable a otros desequilibrios como pueden ser de presión y otros.


Desde el punto de vista de la obtención del trabajo máximo que podemos obtener de un sistema termodinámico, uno de los sistemas se considera el universo, y otro nuestro dispositivo. El estado muerto sería el estado del universo, nuestro sistema nos puede proporcionar trabajo, como máximo, la diferencia de energía entre el estado del universo y su estado inicial. Este trabajo máximo es la exergía de nuestro sistema. En general, como el universo es muy grande respecto a nuestro sistema se aplican las siguientes simplificaciones, el estado muerto no varía con la cesión de energía de nuestro sistema y como universo se toma el medio ambiente que rodea a nuestro sistema, por ejemplo, la temperatura y la presión atmosférica del lugar en el que se encuentra nuestro sistema (densidad y temperatura del aire que rodea el motor de un coche...). Resumiendo, el estado muerto marca el estado del que nos es imposible extraer trabajo de un sistema y este depende del medio ambiente que le rodea.

Balances

En realidad un balance de exergía no es más que la combinación de un balance de energía y de entropía, que derivan a su vez del primer y segundo principio de la termodinámica. No es por tanto un resultado independiente, pero puede utilizarse como formulación alternativa de la segunda ley de la termodinámica.

Como alternativa al principio de incremento de entropía, se puede formular la segunda ley estableciendo que, los únicos procesos que puede experimentar un sistema aislado son aquellos en los que la exergía del sistema disminuye.

El balance de exergía es un método de análisis muy útil a la hora de valorar el rendimiento energético de una instalación, nos da una visión mas amplia que el rendimiento térmico. Permite valorar las pérdidas de energía en un proceso, la energía que sería aprovechable de flujos salientes en sistemas abiertos y las ventajas de métodos regenerativos en instalaciones térmicas. Para todo esto la principal herramienta son los diagramas de Shankey

Balance en sistemas cerrados

Un sistema cerrado puede interaccionar con el entorno mediante transferencias de energía en forma de calor o trabajo, que implican una transferencia de exergía entre el sistema y el entorno. Esta exergía transferida no coincide necesariamente con la variación de exergía del sistema, ya que la exergía también se destruye como consecuencia de la generación de entropía (todos los procesos reales con transferencia de energía en forma de calor conllevan, además de una transferencia de entropía, una generación de entropía debida a procesos irreversibles dentro del sistema.

 A_{2}-A_{1}=\int^{2}_{1}(1-\frac{T_{0}}{T_{f}})\delta Q-(W-p_{0}(V_{2}-V_{1}))-T_{0}\sigma

La variación de exergía del sistema cerrado es igual a la transferencia de exergía con el entorno, menos la destrucción de exergía T0σ, donde σ representa la generación de entropía, que por el segundo principio, no puede ser negativa.

Balance en sistemas abiertos

Para sistemas abiertos, en los que hay transferencia de masa, se maneja el concepto de exergía de flujo, que no es más que la exergía asociada a una corriente material que atraviesa un volumen de control determinado. Adaptando la expresión y utilizando magnitudes específicas (por unidad de masa) se tiene:

b=h-h_{0}-T_{0}(s-s_{0})+\frac{C^{2}}{2}+g\cdot z donde h, s, C, y z son entalpía, entropía, velocidad, altura del flujo respectivamente. h0,T0,s0son las propiedades evaluadas en el estado muerto. g es la aceleración de la gravedad.

El balance de exergía en un sistema abierto como:

 \frac{dA_{vc}}{dt}=\sum_{j}(1-\frac{T_{0}}{T_{j}})\dot{Q_{j}}-(\dot{W}_{vc}-p_{0}\frac{dV_{vc}}{dt})+\sum_{e}\dot{m_{e}}b_{e}-\sum_{s}\dot{m_{s}}b_{s}-\dot{I}_{vc}

Esto es, la variación de exergía acumulada dentro del sistema por unidad de tiempo es igual a:  \sum_{j}(1-\frac{T_{0}}{T_{j}})\dot{Q_{j}} la transferencia de exergía asociada a la transmisión de energía en forma de calor, donde \dot{Q_{j}} representa la velocidad de transferencia de calor a través de una parte de la frontera a temperatura Tj,menos \dot{W}_{vc}-p_{0}\frac{dV_{vc}}{dt} la velocidad de intercambio de exergía por trabajo, excluyendo el trabajo de flujo, más \sum_{e}\dot{m_{e}}b_{e}-\sum_{s}\dot{m_{s}}b_{s} es la transferencia de exergía asociada a la transferencia de masa entre el sistema y el entorno y \dot{I}_{vc} menos la destrucción de exergía por unidad de tiempo causada por irreversibilidades internas del volumen de control.

Que el término  \sum_{j}(1-\frac{T_{0}}{T_{j}})\dot{Q_{j}} recuerde al rendimiento máximo calculado por Carnot en sus teoremas no es casualidad. Representa precisamente la potencialidad a la hora de obtener trabajo de focos térmicos a diferente temperatura.

Véase también:

Referencias

  • Moran M.J. y Shapiro H.N. (1999). «análisis exergético», Fundamentos de termodinámica técnica. Barcelona: Ed. Reverte. ISBN 84-291-4168-5.

Véase también

Enlaces externos

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