La exergía es el
trabajo útil máximo que puede obtenerse del sistema en un estado y en un
ambiente especificado, representa la cantidad de energía que se puede extraer
como trabajo útil, el trabajo depende de los estados iniciales y finales y de
la trayectoria del proceso. El análisis de la exergía se especifica al estado
inicial. El sistema debe estar en estado muerto al final del proceso para
maximizar la salida de trabajo, pero ningún sistema puede producir trabajo a
partir de un sistema que está inicialmente en estado muerto. En conclusión, la
exergía de un sistema es el límite superior de la cantidad de trabajo que un
dispositivo puede entregar sin violar cualquier ley termodinámica.
El estado muerto de un sistema se
encuentra cuando este sistema está en equilibrio termodinámico con el ambiente,
es decir que la temperatura y la presión del sistema sean iguales a la del
ambiente, habiendo equilibrios térmico y mecánico y tampoco hay reacciones con
el ambiente químicamente inerte. El estado muerto se representa con subíndice
cero en sus propiedades.
Los alrededores
es todo lo que esta fuera de las fronteras del sistema.
Los alrededores
inmediatos es la porción de los alrededores que son afectados por el
proceso.
El ambiente es
la región que está más lejos que los alrededores inmediatos, cuyas propiedades
no son afectadas por los procesos.
Trabajo reversible
es el trabajo útil que puede obtenerse de un sistema que experimenta un proceso
entre dos especificados.
Irreversibilidad
es el trabajo perdido o destrucción de exergía es el potencial del trabajo
desperdiciado durante un proceso.
Trabajo=
- Inmediatos: Corresponde a la porción de los alrededores que son afectados por el proceso.
- Ambiente: Región que se halla más allá de los alrededores inmediatos cuyas propiedades en cualquier punto que no son afectados por el proceso.
Ejemplo:
· Estado Muerto: Cuando el sistema se encuentra en equilibrio termodinámico con el ambiente, es decir, que el sistema está a la temperatura y presión de su ambiente.
Siempre hay una difrencia entre el trabajo real y la exergía
- La Exergía de la energia cinetica Ec y de la energía potencial Ep, son iguales a ellas mismas y estan completamenete disponible para trabajo.
- La entalpía H y la energía interna U no están disponibles para trabajo.
EXERGÍA ASOCIADA CON LA ENERGÍA CINÉTICA Y POTENCIAL
La energía cinética y potencial
son formas de energía mecánicas que pueden convertirse en trabajo. Estos tipos
de energía pueden usarse para calcular la exergía en ciertos procesos, porque
están completamente disponibles para realizar trabajo, sin embargo la energía
interna y entalpia no están completamente disponibles para realizar trabajo.
TRABAJO REVERSIBLE E IRREVERSIBILIDAD
Para describir dos
cantidades que se relacionan con estados finales e iniciales de un proceso
real, servirá como herramienta en el análisis termodinámico de componentes o
sistemas, mediante el trabajo reversible y la irreversibilidad.
Hay que tener en cuenta
que el trabajo realizado por dispositivos no siempre se encuentra en una forma
completamente utilizable.
El trabajo de los
alrededores es el realizado por o contra los alrededores durante un
proceso.
El trabajo útil
es la diferencia entre el trabajo real W y el trabajo de los alrededores W
alrededores:
El trabajo
reversible es la cantidad máxima de trabajo útil que puede realizar un
sistema en un proceso.
La irreversibilidad o
exergía destruida es la diferencia entre el trabajo reversible y el trabajo
útil.
EFICIENCIA SEGÚN LA SEGUNDA LEY
La eficiencia según la
segunda ley es la relación entre la eficiencia térmica real y la eficiencia
real máxima posible (reversible) que están bajo las mismas condiciones.
EJERCICIOS
1) 8-16 Un método de satisfacer la demanda adicional de potencia en los periodos pico es bombear algo de agua de un gran cuerpo de agua (como un lago) a un depósito de agua a mayor elevación en los tiempos de baja demanda y generar electricidad en los tiempos de alta demanda dejando que esta agua baje y haga girar una turbina (es decir, convertir la energía eléctrica en energía potencial y luego nuevamente a energía eléctrica). Para una capacidad de almacenamiento de energía de 5 x 106 kWh, determine la cantidad mínima de agua que se necesita almacenar a una elevación promedio (relativa al nivel del suelo) de 75 m. Respuesta: 2.45*1010 kg
2) 8-17 ¿Qué porción de la energía térmica de 100 kJ a 800 K se puede convertir a trabajo útil? Suponga que el entorno está a 25 °C.
3) 8-19 Considere un depósito de energía térmica a 1 500 K que puede suministrar calor a razón de 150 000 kJ/h. Determine la exergía de esta energía suministrada, suponiendo una temperatura ambiente de 25 °C.
4) Una máquina térmica recibe calor de una fuente de 1200 K a una taza de 500 KJ/s y rechaza calor de desecho a un ambiente a 300 K. La producción medida de potencia de la máquina térmica es de 180 kW. Determine a) la potencia reversible, b) la tasa de irreversibilidad.
Nota: Los 195 KW se desperdician durante el proceso, la diferencia de 500 KW y 375 KW es lo que se puedes utilizar para el trabajo.
Nota: Los 195 KW se desperdician durante el proceso, la diferencia de 500 KW y 375 KW es lo que se puedes utilizar para el trabajo.
5) Un bloque de hierro de 500Kg, está inicialmente a 200°C y se deja enfriar a 27°C, transfiriendo calor hacia el aire a los alrededores que se halla a 27°C. Determine el trabajo reversible y la irreversibilidad para este proceso.
Nota: El calor especifico del hierro es de 0.45Kj/Kg K para este proceso. Considere que el sistema es cerrado y que la energía cinética y potencial es despreciable. El proceso no involucra interacciones de trabajo.
6) 8-18 Una máquina térmica que recibe calor de un horno a 1 200 °C y rechaza calor de desecho a un río a 20 °C tiene una eficiencia térmica de 40 por ciento. Determine la eficiencia de la segunda ley de esta planta de potencia.
BIBLIOGRAFÍA
- CENGEL, YUNUS .A. & BOLES, MICHAEL A. (2011). Termodinámica. México: Mcgraw - Hill
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