2. Exergia : potencial de un trabajo de la energía

La exergia es una propiedad termodinámica también conocida como disponibilidad o energía disponible que se define como el potencial de trabajo útil de una cantidad dada de energía en algún estado especificado. Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Este agua puede emplearse para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que todo el agua ha bajado al nivel del mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un límite en la energía disponible asociado a la diferencia de altura entre el agua del embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más energía disponible.

En un analisis de exergía se especifica el estado inicial, por lo tanto no es variable. La salida de trabajo se maximiza cuando el proceso entre dos estados especificados se ejecutan de manera reversible.

Se afirma que un sistema está en el estado muerto cuando se encuentra en equilibrio termodinámico con el ambiente, es decir, cuando la presión y temperatura del sistema se iguala con la del ambiente ya no se puede sacar energía de él. Un sistema tiene exergia 0 cuando está en estado muerto. La noción de que un sistema maximiza la salida de trabajo puede explicarse diciendo que mientras haya una temperatura, presión, energía potencial, o cinética de un sistema diferente en relación a la del ambiente, siempre será posible extraer trabajo de este utilizando algún proceso termodinámico.

Por consiguiente se concluye que un sistema entrega el máximo trabajo posible cuando experimenta un proceso reversible del estado inicial especificado al estado de su ambiente, es decir, el estado muerto.

Es importante comprender que la exergia no representa la cantidad de trabajo que un dispositivo productor realmente entregara después de la instalación; sino que representa el limite superior en la cantidad de trabajo que un dispositivo puede entrevar sin violar cualquier ley termodinámica. Habra siempre una diferencia entre la eegia y el trabajo real entregado por un dispositivo, diferencia que representa lo que los ingenieros tienen como la posibilidad para la mejora.

2.1 Relacion entre la exergia y la energía cinetica y potencial

La energía cinetica es una forma de energía mecánica, por lo tanto puede convertirse completamente en trabajo. El potencial de trabajo o la exergia de la energía cinetica de un sistema es igual a la propia energía cinetica sin tener en cuenta la temperatura y la presion del ambiente. Es decir

Exergiade la energiacinetica :Xce=ce=V 2

2( KJ

Kg)

Donde V es la velocidad relativa con el ambiente

La energía potencial también es una forma de energía mecánica, por lo tanto puede convertirse completamente en trabajo. Asi, la exergia de la energía potencial de un sistema es

igual a la propia energía potencial son tener en cuenta la temperatura y la presión del ambiente es decir

Exergiade la energia Potencial : Xep=ep=g∗z ( KJKg

)

Donde g es la constante de aceleración gravitacional y z la elevación del sistema relativa a un nivel de referencia en el ambiente

3. Trabajo reversible e irreversibilidad

El trabajo reversible Wrev. se define como la cantidad máxima de trabajo útil que puede producirse cuando un sistema experimenta un proceso entre los estados inicial y final especificados. Cuando el estado final es el estado muerto, el trabajo reversible es igual a la exergia. Para procesos que requieren trabajo, el trabajo reversible representa la cantidad de trabajo minima necesaria para llevar a cabo ese proceso.

Cualquier diferencia entre el trabajo reversible Wrev y el útil Wu, se debe a la irreversibilidad presentes durante el proceso, y esta diferencia se llama irreversibilidad I, la cual se expresa como

I=Wrev , sal−Wu,sal o I=Wu ,ent−Wrev , ent

La irreversibilidad es una cantidad positiva para todo proceso real por que Wrev ≥ Wu para todo dispositivo productores de trabajo y Wrev ≤ Wu para dispositivos consumidores de trabajo.

La irreversibilidad puede verse como el potencial de trabajo desperdiciado o la oportunidad de perdida para realizar trabajo. Cuanta más pequeña es la irreversibilidad asociada con un proceso, mayor es el trabajo que se produce.

4. Cambio de exergía de un sistema

Al contrario de la energía, el valor de la exergia depende tanto del estado del ambiente como del estado del sistema, por lo tanto la exergia es una propiedad de combinación. A continuación se desarrollaran las relaciones para las exergias y los cambios de exergia para una masa fija y una corriente de flujo.

4.1 Exergia de una masa fija

Para un sistema de masa fija, bajo todas las condiciones y definiciones que esta conlleva podemos obtener una ecuación como la que sigue

Wtotal , util=(U−U 0 )+P0∗(V −V 0 )−T 0∗( S−S 0 )

Donde Wtotal, útil es el trabajo total entregado cuando el sistema experimenta un proceso reversible desde el estado especificado al muerto, el cual por definición corresponde a la exergia.

Si consideramos la posibilidad de que el sistema contenga energía cinetica y potencia, podemos poner la energía total del sistema como la suma de la energía interna, cinetica y potencial. Si expresamos a la exergia por unidad de masa en un sistema cerrado se expresaría como

Exergia porunidad de masa=ϕ=(e−e 0 )+P0∗( v−v0 )−T 0∗(s−s0)

4.2 Exergia de flujo

La expresión, aplicando la energía atribuida al flujo, como ya se ha visto antes quedaría dada por la siguiente expresión.

Exergiade flujo=ψ=(h−h0 )−T 0∗(s−s0 )+ V 2

2+gz

Obseve que el cambio de exergia de un sistema cerrado o de una corriente de fluido representa la cantidad máxima de trabajo útil que puede llevarse a cabo cuando el sistema cambia del estado 1 al estado 2 en un ambiente especificado, y representa el trabajo reversible Wrev.