Disponibilidad

INTRODUCCIÓN

Los conceptos de disponibilidad nos permiten clasificar la energía en energía que puede ser convertida completamente en trabajo (por ejemplo la que se mide con la función de disponibilidad) y energía no disponible para realizar trabajo. La atmósfera es un ejemplo típico de una fuente inmensa de energía no disponible.

Otro ejemplo son los mares. En ciertas latitudes en las cuales existe una diferencia de temperatura sustancial entre el mar y la atmósfera, esta diferencia se utiliza como fuente de energía.

La primera ley se puede expresar como:

 En el universo la suma de la energía disponible y la no disponible se mantiene constante.

La segunda ley puede ser enunciada equivalentemente de varias maneras:

 Es imposible convertir energía no disponible en energía disponible

 La energía no disponible del universo aumenta (o se mantiene constante)

 La energía disponible del universo disminuye (o se mantiene constante).

¿Qué es la disponibilidad?

Es una propiedad termodinámica que expresa la cantidad máxima de trabajo útil que puede entregar un sistema cuando sigue un proceso totalmente reversible desde un estado inicial hasta el estado muerto (Cuando el sistema está en equilibrio termodinámico con los alrededores). También es conocida como exergía y suele decirse que la disponibilidad o exergía representa el límite superior en que puede ocurrir un proceso sin violar las leyes de la termodinámica.

Esta energía puede calcularse permitiendo que la sustancia efectúe un cambio de estado reversible hasta alcanzar equilibrio termodinámico con el medio ambiente que se encuentra a P0 y T0. En la práctica, al medio ambiente se le designa como depósito estándar para determinar la energía disponible del sistema.

Cuando el cambio de estado reversible se lleva a cabo en sistema cerrado, de la primera ley se tiene que:

δq = du + δw

de la segunda ley se sabe que:

ds(sistema) + ds(alrededores) = 0 ⇒ ds(alrededores) = – ds(sistema)

ds(alrededores) = – ds(sistema)

T(alrededores)

combinando las ecuaciones anteriores se tiene que:

T(alred) ds(stma) = du + δw(máx)

se trata de δw(máx) por ser un proceso reversible, luego:

δw(máx) = T(alred) ds – du

si los alrededores son el medio ambiente

δw(máx) = T0 ds – du

entonces el trabajo máximo queda dado por:

w(máx) = (u – T0 s) – (u0 – T0 s0)

Donde T0, s0, u0 son las propiedades del sistema cuando se encuentra en equilibrio con el medio ambiente y w(máx) es el máximo trabajo que puede realizar un sistema hasta alcanzar equilibrio con el ambiente.

Se debe tener en cuenta que parte de este trabajo máximo se realiza contra el medio ambiente y por tanto no resulta útil. Este trabajo contra el ambiente está dado por P0 (v0 – v), entonces el trabajo máximo útil es

w(máx, útil) = w(máx) – P0 (v0 – v)

w(máx, útil) = (u + P0 v – T0 s) – (u0 + P0 v0 – T0 s0)

El trabajo máximo útil se conoce como disponibilidad o energía disponible en sistema cerrado o exergía sin flujo. Para representar esta disponibilidad por unidad de masa se utiliza el símbolo φ

φ = (u + P0 v – T0 s) – (u0 + P0 v0 – T0 s0).

Pérdida de disponibilidad

Es aquella energía que potencialmente pudo aprovecharse como trabajo, pero debido a las irreversibilidades del proceso se perdió. Esto puede ilustrarse mediante el proceso representado en la figura.

Eficiencia real

Hasta ahora hemos medido la eficiencia de máquinas térmicas comparándolas con máquinas

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