APUNTES DE TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES ENERGÍA Y EXERGÍA

APUNTES DE TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES

ENERGÍA Y EXERGÍA.

La energía de un sistema es la capacidad para causar un proceso termodinámico: calentamiento, enfriamiento, mezclado, separación, expansión o compresión. Como consecuencia del proceso, las propiedades termodinámicas cambian desde un estado a otro. Sus valores pueden ser relativos a un estado arbitrario, a excepción del volumen.

De acuerdo con la Primera Ley de la Termodinámica, la energía del universo se conserva, aunque se transforme de una forma a otra.

La exergía de un sistema es la capacidad para producir (o consumir) trabajo involucrado en un proceso termodinámico y está contenida en la energía del sistema. Según la cantidad de exergía del sistema, el nivel de calidad de la energía es alto o bajo. De ahí que la energía tiene cantidad y energía. Se puede deducir que de acuerdo con el nivel de calidad se puede transformar esa energía en trabajo.

A diferencia de la energía, la exergía está referida a un estado que es el estado de los alrededores o “estado muerto”, de tal manera que, si un sistema está equilibrio termodinámico con el estado de los alrededores, su exergía es cero, pero su energía no es cero.

De acuerdo con la combinación de la Primera Ley con la Segunda Ley de la Termodinámica, la exergía del universo no se conserva, sino que se destruye porque la energía se degrada y su nivel de calidad disminuye.

Se considera que la exergía es un potencial para convertir cualquier forma de energía en trabajo según su nivel de calidad. Todo proceso destruye exergía ajustado a su nivel de calidad y conserva la energía ajustado a su cantidad.

Todo proceso tiene un objetivo energético y un objetivo exergético y para alcanzarlo requiere de un suministro de energía y exergía.

La exergía suministrada y la exergía producida o recuperada por un sistema está representada en tres formas: exergía másica, exergía debido al trabajo mismo y exergía debido al calor transferido.

La eficiencia termodinámica del proceso relaciona la exergía recuperada útil o producida con la exergía suministrada.

Análisis energético y exergético

• Tobera. En una tobera la energía en forma de entalpía y energía cinética se transforman para incrementar la energía cinética a expensas de la disminución de la entalpía. A nivel de la exergía, la corriente de entrada suministra exergía y la corriente de salida recupera exergía. La diferencia entre las dos es la exergía destruida.

• Difusor. En un difusor la energía en forma de entalpía y energía cinética se transforman para incrementar la entalpía a expensas de la disminución de la energía cinética. A nivel de la exergía, la corriente de entrada suministra exergía y la corriente de salida recupera exergía. La diferencia entre las dos es la exergía destruida.

• Turbina. En una turbina de vapor o de gas el fluido que se expande suministra energía y exergía y la energía y exergía producidas es la potencia de la turbina. La diferencia entre las dos es la exergía destruida. Si la turbina no es adiabática, la exergía por transferencia de calor a los alrededores es igual a cero.

• Compresor y bombas. En un compresor de vapor o de gas y en una bomba, el fluido que se comprime recupera energía y exergía y la energía y exergía suministradas es la potencia del compresor o de la bomba. La diferencia entre las dos es la exergía destruida. Si el compresor o la bomba no son adiabáticos, la exergía por transferencia de calor a los alrededores es igual a cero.

• Intercambiador de calor. En un intercambiador de calor el fluido caliente suministra energía y exergía y el fluido frio recupera energía y exergía. Si el intercambiador de calor no es adiabático, la exergía por transferencia de calor a los alrededores es igual a cero. La diferencia entre la exergía suministrada y la exergía recuperada es la exergía destruida.

Si los niveles de temperatura están por debajo de la de los alrededores (evaporadores y refrigeradores), la exergía es suministrada por el fluido frio.

• Mezclador. Un mezclador adiabático puede recibir al menos una corriente caliente que suministra energía y exergía; y al menos una corriente fría que recupera energía y exergía. La diferencia es la exergía destruida. Si el mezclador elimina calor a los alrededores, la exergía por transferencia de calor a los alrededores es igual a cero. Si el mezclador recibe calor desde una fuente térmica, ésta suministra exergía por transferencia de calor y se suma a la exergía suministrada por la o las corrientes calientes. La temperatura de la corriente de salida permite seleccionar las corrientes calientes y las corrientes frías.

• Separador de corrientes. Un separador de corrientes simplemente separa una corriente en varias corrientes con las mismas propiedades termodinámicas y diferentes flujos másicos. Este es un proceso que no genera entropía y, por tanto, no destruye exergía porque simplemente es un proceso reversible debido a que las corrientes separadas pueden mezclarse para dar la mezcla original. Pero si el proceso de separación de corrientes hay caída de presión, el proceso genera entropía y destruye exergía.

• Separador de fases. Un separador de fases es aquel que recibe una corriente y salen dos corrientes en equilibrio termodinámico (igual presión y temperatura) y composiciones molares diferentes. La corriente de entrada suministra energía y exergía y las corrientes en equilibrio, recuperan energía y exergía. Normalmente un separador de fases está ligado a otro proceso de mezclado, vaporización o condensación.

Para más detalle, consulte el tema de Equilibrio de Fases.

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