Exergía

La exergía , a menudo denominada " energía disponible " o "potencial de trabajo útil", es un concepto fundamental en el campo de la termodinámica y la ingeniería. Desempeña un papel crucial en la comprensión y cuantificación de la calidad de la energía dentro de un sistema y su potencial para realizar un trabajo útil. El análisis de exergía tiene aplicaciones generalizadas en diversos campos, incluida la ingeniería energética, las ciencias ambientales y los procesos industriales.

Desde una perspectiva científica y de ingeniería, el análisis de exergía basado en la segunda ley es valioso porque proporciona una serie de beneficios sobre el análisis de energía por sí solo. Estos beneficios incluyen la base para determinar la calidad de la energía (o contenido de exergía ^[1]^[2]^[3] ), mejorar la comprensión de los fenómenos físicos fundamentales y mejorar el diseño, la evaluación del rendimiento y los esfuerzos de optimización. En termodinámica , la exergía de un sistema es el trabajo útil máximo que se puede producir cuando el sistema se equilibra con su entorno mediante un proceso ideal. ^[4] La especificación de un "proceso ideal" permite determinar la producción del "trabajo máximo". Desde una perspectiva conceptual, la exergía es el potencial "ideal" de un sistema para realizar un trabajo o provocar un cambio a medida que logra el equilibrio con su entorno. La exergía también se conoce como "disponibilidad". La exergía es distinta de cero cuando hay desequilibrio entre el sistema y su entorno, y la exergía es cero cuando se establece el equilibrio (el estado de máxima entropía para el sistema más su entorno).

La determinación de la exergía fue uno de los objetivos originales de la termodinámica . El término "exergía" fue acuñado en 1956 por Zoran Rant (1904-1972) utilizando el griego ex y ergon , que significa "del trabajo ", ^[5]^[3] pero el concepto había sido desarrollado anteriormente por J. Willard Gibbs ( el homónimo de Gibbs energía libre ) en 1873. ^[4]

La energía no se crea ni se destruye, sino que simplemente se convierte de una forma a otra (ver Primera ley de la termodinámica ). A diferencia de la energía, la exergía siempre se destruye cuando un proceso no es ideal o es irreversible (ver Segunda ley de la termodinámica ). Para ilustrar, cuando alguien afirma que "gasté mucha energía subiendo esa colina", la afirmación contradice la primera ley. Aunque la energía no se consume, intuitivamente percibimos que algo sí. El punto clave es que la energía tiene calidad o medidas de utilidad, y esta calidad de la energía (o contenido de exergía) es lo que se consume o se destruye. Esto ocurre porque todo, todos los procesos reales, producen entropía y la destrucción de exergía o tasa de "irreversibilidad" es proporcional a esta producción de entropía ( teorema de Gouy-Stodola ). Donde la producción de entropía se puede calcular como el aumento neto de entropía del sistema junto con su entorno. La producción de entropía se debe a factores como la fricción, la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita y la mezcla. A diferencia de la "destrucción de exergía", la "pérdida de exergía" es la transferencia de exergía a través de los límites de un sistema, como con la pérdida de masa o calor, donde el flujo o la transferencia de exergía es potencialmente recuperable. La calidad de la energía o el contenido de exergía de estas pérdidas de masa y energía son bajos en muchas situaciones o aplicaciones, donde el contenido de exergía se define como la relación entre exergía y energía en forma porcentual. Por ejemplo, mientras que el contenido de exergía del trabajo eléctrico producido por una central térmica es del 100%, el contenido de exergía del calor de baja calidad rechazado por la central, digamos a 41 grados Celsius, en relación con una temperatura ambiente de 25 grados Celsius. , es sólo el 5%.

Definiciones

La exergía es una propiedad de combinación ^[6] de un sistema y su entorno porque depende del estado de ambos y es consecuencia del desequilibrio entre ellos. La exergía no es una propiedad termodinámica de la materia ni un potencial termodinámico de un sistema. La exergía y la energía siempre tienen las mismas unidades, y el julio (símbolo: J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades (SI). La energía interna de un sistema siempre se mide a partir de un estado de referencia fijo y, por tanto, siempre es una función de estado . Algunos autores definen que la exergía del sistema cambia cuando cambia el entorno, en cuyo caso no es una función de estado. Otros escritores prefieren ^{[ cita necesaria ]} una definición ligeramente alternativa de la energía o exergía disponible de un sistema donde el entorno está firmemente definido, como un estado de referencia absoluto inmutable, y en esta definición alternativa, la exergía se convierte en una propiedad del estado del sistema. solo.

Sin embargo, desde un punto de vista teórico, la exergía puede definirse sin referencia a ningún entorno. Si las propiedades intensivas de diferentes elementos finitamente extendidos de un sistema difieren, siempre existe la posibilidad de extraer trabajo mecánico del sistema. ^[7] Sin embargo, con tal enfoque uno tiene que abandonar el requisito de que el entorno sea lo suficientemente grande en relación con el "sistema" como para que sus propiedades intensivas, como la temperatura, no cambien debido a su interacción con el sistema. Para que la exergía se defina en un sentido absoluto, en este artículo se supondrá que, a menos que se indique lo contrario, las propiedades intensivas del medio ambiente no cambian por su interacción con el sistema.

Para una máquina térmica , la exergía se puede definir simplemente en un sentido absoluto, como la entrada de energía multiplicada por la eficiencia de Carnot , asumiendo que el depósito de calor de baja temperatura está a la temperatura del medio ambiente. Dado que muchos sistemas pueden modelarse como una máquina térmica, esta definición puede resultar útil para muchas aplicaciones.

Terminología

El término exergía también se utiliza, por analogía con su definición física, en la teoría de la información relacionada con la computación reversible . Exergía también es sinónimo de energía disponible , energía exérgica , essergía (considerada arcaica), energía utilizable , trabajo útil disponible , trabajo máximo (o mínimo) , contenido máximo (o mínimo) de trabajo , trabajo reversible , trabajo ideal , disponibilidad o trabajo disponible .

Trascendencia

La destrucción de exergía de un ciclo es la suma de la destrucción de exergía de los procesos que componen ese ciclo. La destrucción de exergía de un ciclo también se puede determinar sin rastrear los procesos individuales, considerando todo el ciclo como un solo proceso y utilizando una de las ecuaciones de destrucción de exergía.

Ejemplos

Para dos depósitos térmicos a temperaturas T _H y T _C < T _H , como lo considera Carnot, la exergía es el trabajo W que puede realizar un motor reversible. Específicamente, siendo Q _H el calor proporcionado por el depósito caliente, el análisis de Carnot da W / Q _H = ( T _H − T _C )/ T _H . Aunque la exergía o trabajo máximo se determina utilizando conceptualmente un proceso ideal, es propiedad de un sistema en un entorno determinado. El análisis de exergía no es sólo para ciclos reversibles, sino para todos los ciclos (incluidos los no cíclicos o no ideales) y, de hecho, para todos los procesos termodinámicos.

Como ejemplo, consideremos el proceso no cíclico de expansión de un gas ideal. Para la expansión libre en un sistema aislado, la energía y la temperatura no cambian, por lo que por conservación de energía no se realiza ningún trabajo. Por otro lado, para la expansión realizada contra una pared móvil que siempre coincide con la presión (variante) del gas en expansión (de modo que la pared desarrolla una energía cinética insignificante), sin transferencia de calor (pared adiabática), se realizaría el trabajo máximo. Esto corresponde a la exergía. Así, en términos de exergía, Carnot consideró la exergía de un proceso cíclico con dos reservorios térmicos (temperaturas fijas). Así como el trabajo realizado depende del proceso, la exergía depende del proceso, reduciéndose al resultado de Carnot para el caso de Carnot.

W. Thomson (desde 1892, Lord Kelvin), ya en 1849 se vio ejercido por lo que llamó “energía perdida”, que parece ser lo mismo que “energía destruida” y lo que se ha llamado “anergia”. En 1874 escribió que la “energía perdida” es lo mismo que la energía disipada, por ejemplo, por fricción, conducción eléctrica (difusión de carga impulsada por un campo eléctrico), conducción de calor (difusión térmica impulsada por la temperatura), procesos viscosos (difusión de momento transversal). y difusión de partículas (tinta en agua). Por otro lado, Kelvin no indicó cómo calcular la “energía perdida”. Esto aguardó los trabajos de Onsager de 1931 y 1932 sobre procesos irreversibles.

Descripción matemática

Una aplicación de la segunda ley de la termodinámica.

La exergía utiliza los límites del sistema de una manera que muchos desconocen. Imaginamos la presencia de un motor de Carnot entre el sistema y su entorno de referencia, aunque este motor no existe en el mundo real. Su único propósito es medir los resultados de un escenario "qué pasaría si" para representar la interacción de trabajo más eficiente posible entre el sistema y su entorno.

Si se elige un entorno de referencia del mundo real que se comporte como un depósito ilimitado que permanece inalterado por el sistema, entonces la especulación de Carnot sobre las consecuencias de un sistema que se dirige hacia el equilibrio con el tiempo se aborda mediante dos afirmaciones matemáticas equivalentes. Sea B , la exergía o trabajo disponible, disminuye con el tiempo, y S _total , la entropía del sistema y su entorno de referencia encerrados juntos en un sistema aislado más grande , aumenta con el tiempo:

Para sistemas macroscópicos (por encima del límite termodinámico ), ambas declaraciones son expresiones de la segunda ley de la termodinámica si se usa la siguiente expresión para la exergía:

donde las cantidades extensivas para el sistema son: U = Energía interna , V = Volumen y Ni ₌Moles del componente i . Las cantidades intensivas para el entorno son: P _R = Presión , T _R = temperatura , μ _{i, R} = Potencial químico del componente i . De hecho, la entropía total del universo dice:

siendo el segundo término la entropía del entorno dentro de una constante. $-U/T_{R}-P_{R}V/T_{R}+\sum _{i}\mu _{i,R}N_{i}/T_{R}$

Los términos individuales también suelen tener nombres adjuntos: se denomina "trabajo fotovoltaico disponible", se denomina "pérdida entrópica" o "pérdida de calor" y el término final se denomina "energía química disponible". $P_{R}V$ $T_{R}S$

Se pueden utilizar otros potenciales termodinámicos para reemplazar la energía interna siempre que se tenga el cuidado adecuado al reconocer qué variables naturales corresponden a qué potencial. Para conocer la nomenclatura recomendada de estos potenciales, consulte (Alberty, 2001) ^[2] . La ecuación ( 2 ) es útil para procesos donde el volumen del sistema, la entropía y el número de moles de varios componentes cambian porque la energía interna también es función de estas variables y no de otras.

Una definición alternativa de energía interna no separa el potencial químico disponible del U. Esta expresión es útil (cuando se sustituye en la ecuación ( 1 )) para procesos donde el volumen y la entropía del sistema cambian, pero no ocurre ninguna reacción química:

En este caso, un conjunto determinado de sustancias químicas con una entropía y un volumen determinados tendrá un valor numérico único para este potencial termodinámico. Un sistema multiestatal puede complicar o simplificar el problema porque la regla de la fase de Gibbs predice que las cantidades intensivas ya no serán completamente independientes entre sí.

Una tangente histórica y cultural

En 1848, William Thomson, primer barón Kelvin , formuló (y respondió de inmediato) la pregunta

¿Existe algún principio sobre el cual se pueda fundar una escala termométrica absoluta? Me parece que la teoría de Carnot sobre la fuerza motriz del calor nos permite dar una respuesta afirmativa. ^[3]

Con el beneficio de la retrospectiva contenida en la ecuación ( 5 ), podemos comprender el impacto histórico de la idea de Kelvin en la física. Kelvin sugirió que la mejor escala de temperatura describiría la capacidad constante de una unidad de temperatura en el entorno para alterar el trabajo disponible del motor de Carnot. De la ecuación ( 3 ):

Rudolf Clausius reconoció la presencia de una constante de proporcionalidad en el análisis de Kelvin y le dio el nombre de entropía en 1865, del griego "transformación", porque describe la cantidad de energía perdida durante la transformación de calor en trabajo. El trabajo disponible de una máquina Carnot es máximo cuando los alrededores están a una temperatura de cero absoluto .

Los físicos de entonces, como ahora, suelen mirar con cierta inquietud una propiedad que lleva en su nombre la palabra "disponible" o "utilizable". La idea de lo que está disponible plantea la pregunta "¿disponible para qué?" y plantea la preocupación de si dicha propiedad es antropocéntrica . Es posible que las leyes derivadas utilizando dicha propiedad no describan el universo, sino lo que la gente desea ver.

El campo de la mecánica estadística (comenzando con el trabajo de Ludwig Boltzmann en el desarrollo de la ecuación de Boltzmann ) alivió a muchos físicos de esta preocupación. Gracias a esta disciplina, ahora sabemos que todas las propiedades macroscópicas pueden determinarse a partir de propiedades a escala microscópica donde la entropía es más "real" que la temperatura misma ( ver Temperatura termodinámica ). Las fluctuaciones cinéticas microscópicas entre partículas provocan pérdidas entrópicas y esta energía no está disponible para trabajar porque estas fluctuaciones ocurren aleatoriamente en todas las direcciones. El acto antropocéntrico se realiza, a los ojos de algunos físicos e ingenieros de hoy, cuando alguien traza un límite hipotético; de hecho, dice: "Este es mi sistema. Lo que ocurre más allá de él es el entorno". En este contexto, la exergía es a veces descrita como una propiedad antropocéntrica, tanto por algunos que la utilizan como por otros que no. Sin embargo, la exergía se basa en el desequilibrio entre un sistema y su entorno, por lo que es muy real y necesario definir el sistema de forma distinta de su entorno. Se puede estar de acuerdo en que la entropía generalmente se considera una propiedad de la materia más fundamental que la exergía.

Un potencial para cada situación termodinámica

Además de y , para determinar la exergía se utilizan con frecuencia otros potenciales termodinámicos . Para un conjunto determinado de sustancias químicas a una entropía y presión determinadas, la entalpía H se utiliza en la expresión: $U$ $U[{\boldsymbol {\mu }}]$

Para un conjunto determinado de sustancias químicas a una temperatura y un volumen determinados, la energía libre de Helmholtz A se utiliza en la expresión:

Para un conjunto determinado de sustancias químicas a una temperatura y presión determinadas, la energía libre de Gibbs G se utiliza en la expresión:

donde se evalúa a la temperatura del sistema isotérmico ( ), y se define con respecto a la temperatura isotérmica del ambiente del sistema ( ). La exergía es la energía reducida por el producto de la entropía por la temperatura ambiente , que es la pendiente o derivada parcial de la energía interna con respecto a la entropía en el ambiente. ^[8] Es decir, una mayor entropía reduce la exergía o energía libre disponible en relación con el nivel de energía . $G$ $T$ $B$ $T_{R}$ $B$ $H$ $T_{R}$ $H$

Se puede producir trabajo a partir de esta energía, como en un proceso isotérmico, pero cualquier generación de entropía durante el proceso provocará la destrucción de la exergía ( irreversibilidad ) y la reducción de estos potenciales termodinámicos. Además, pueden ocurrir pérdidas de exergía si la masa y la energía se transfieren fuera del sistema a temperatura, presión o potencial químico elevados o no ambientales. Sin embargo, las pérdidas de exergía son potencialmente recuperables porque la exergía no ha sido destruida, como ocurre en los sistemas de recuperación de calor residual (aunque la calidad de la energía o el contenido de exergía suelen ser bajos). Como caso especial, un proceso isotérmico que opera a temperatura ambiente no tendrá pérdidas de exergía relacionadas térmicamente.

Análisis de exergía que implica transferencia de calor radiativo

Toda la materia emite radiación de forma continua como resultado de su temperatura distinta de cero (absoluta). Este flujo de energía emitido es proporcional a la temperatura del material elevada a la cuarta potencia. Como resultado, cualquier dispositivo de conversión de radiación que busque absorber y convertir radiación (al tiempo que refleja una fracción de la radiación de la fuente entrante) emite inherentemente su propia radiación. Además, dado que la radiación reflejada y emitida puede ocupar la misma dirección o ángulo sólido, los flujos de entropía y, en consecuencia, los flujos de exergía, generalmente no son independientes. Las ecuaciones de balance de entropía y exergía para un volumen de control (CV), reformuladas para aplicarse correctamente a situaciones que involucran transferencia radiativa, ^[1]^[2]^[9]^[10] se expresan como,

{\frac {dS_{CV}}{dt}}=\int _{CVboundary}({\frac {q_{cc}}{T_{b}}}+J_{NetRad})dA+\sum _{i}^{m}({{\dot {m}}_{i}}s_{i})-\sum _{o}^{n}({{\dot {m}}_{o}}s_{o})+{\dot {S}}_{gen}

Π

{S}_{gen}

{\frac {{dX}_{CV}}{dt}}=\int _{CVboundary}[{q_{cc}}(1-{\frac {T_{o}}{T_{b}}})+M_{NetRad}]dA-({{\dot {W}}_{CV}}-P_{o}({\frac {dV_{CV}}{dt}}))+\sum _{i}^{r}({{\dot {m}}_{i}}(h_{i}-{T_{o}}{s_{i}}))-{\dot {I}}_{CV}

Esta ecuación de tasa para la exergía dentro de un sistema abierto X ( $Ξ o B$ ) tiene en cuenta las tasas de transferencia de exergía a través del límite del sistema por transferencia de calor ( $q$ para conducción y convección, y $M$ por flujos radiativos), por transferencia de trabajo mecánica o eléctrica. ( $W$ ), y por transferencia de masa ( $m$ ), además de tener en cuenta la destrucción de exergía ( $I$ ) que se produce dentro del sistema debido a procesos de irreversibilidad o no ideales. Tenga en cuenta que por simplicidad se han excluido la exergía química, la energía cinética y la energía potencial gravitacional.

La irradiancia exergética o flujo M, y la radiancia exergética N (donde M = πN para radiación isotrópica), dependen de la distribución espectral y direccional de la radiación (por ejemplo, consulte la siguiente sección sobre 'Flujo exergético de radiación con un espectro arbitrario'). '). La luz solar puede aproximarse burdamente a la radiación de un cuerpo negro o, más exactamente, a la radiación de un cuerpo gris. Tenga en cuenta que, aunque el espectro de un cuerpo gris parece similar al espectro de un cuerpo negro, la entropía y la exergía son muy diferentes. Petela ^[11] determinó que la exergía de la radiación isotrópica del cuerpo negro estaba dada por la expresión,

M_{BR}={\frac {cX}{4V}}=\sigma T^{4}(1-{\frac {4}{3}}x+{\frac {1}{3}}x^{4})

donde la exergía dentro del sistema cerrado es X ( $Ξ o B$ ), c es la velocidad de la luz, V es el volumen ocupado por el sistema de radiación cerrado o vacío, T es la temperatura de emisión del material, To es la temperatura ambiental y x es la relación de temperaturas adimensional To/T.

Sin embargo, durante décadas este resultado fue cuestionado en términos de su relevancia para la conversión de los flujos de radiación y, en particular, de la radiación solar. Por ejemplo, Bejan ^[12] afirmó que “la eficiencia de Petela no es más que una forma conveniente, aunque artificial, de adimensionalizar la producción de trabajo calculada” y que la eficiencia de Petela “no es una 'eficiencia de conversión'. Sin embargo, se ha demostrado que el resultado de Petela representa la exergía de la radiación del cuerpo negro. ^[1] Esto se hizo resolviendo una serie de cuestiones, incluida la de la irreversibilidad inherente, definiendo el entorno en términos de radiación, el efecto de la emisión inherente del dispositivo de conversión y el efecto de concentrar la fuente de radiación.

Flujo de exergía de radiación con un espectro arbitrario (incluida la luz solar)

En general, la radiación solar terrestre tiene un espectro arbitrario que no es de cuerpo negro. Los espectros a nivel del suelo pueden variar mucho debido a la reflexión, dispersión y absorción en la atmósfera. Además, los espectros de emisión de radiación térmica en los sistemas de ingeniería también pueden variar ampliamente.

Al determinar la exergía de una radiación con un espectro arbitrario, se debe considerar si es posible una conversión reversible o ideal (producción de entropía cero). Se ha demostrado que la conversión reversible de los flujos de radiación del cuerpo negro a través de una diferencia de temperatura infinitesimal es teóricamente posible ^[1]^[2 ] . Sin embargo, esta conversión reversible sólo puede lograrse teóricamente porque puede existir un equilibrio entre la radiación del cuerpo negro y la materia. ^[2] Sin embargo, la radiación que no es un cuerpo negro ni siquiera puede existir en equilibrio consigo misma ni con su propio material emisor.

A diferencia de la radiación de cuerpo negro, la radiación que no es de cuerpo negro no puede existir en equilibrio con la materia, por lo que parece probable que la interacción de la radiación que no es de cuerpo negro con la materia sea siempre un proceso inherentemente irreversible. Por ejemplo, un sistema de radiación cerrado que no es de cuerpo negro (como un vacío dentro de una masa sólida) es inestable y se equilibrará espontáneamente con la radiación de cuerpo negro a menos que el recinto refleje perfectamente (es decir, a menos que no haya interacción térmica de la radiación con su recinto). – lo cual no es posible en sistemas reales o no ideales). En consecuencia, una cavidad inicialmente desprovista de radiación térmica dentro de un material que no es un cuerpo negro se llenará espontánea y rápidamente (debido a la alta velocidad de la radiación), a través de una serie de interacciones de absorción y emisión, con radiación de cuerpo negro en lugar de radiación que no es de cuerpo negro. .

Los enfoques de Petela ^[11] y Karlsson ^[13] suponen que la conversión reversible de radiación que no es de cuerpo negro es teóricamente posible, es decir, sin abordar ni considerar la cuestión. La exergía no es una propiedad únicamente del sistema, es una propiedad tanto del sistema como de su entorno. Por lo tanto, es de vital importancia que la radiación distinta del cuerpo negro no pueda existir en equilibrio con la materia, lo que indica que la interacción de la radiación distinta del cuerpo negro con la materia es un proceso inherentemente irreversible.

El flujo (irradiancia) de radiación con un espectro arbitrario, basado en la irreversibilidad inherente de la conversión de radiación que no es de cuerpo negro, viene dado por la expresión,

M=H-T_{o}({\frac {4}{3}}\sigma ^{0.25}H^{0.75})+{\frac {\sigma }{3}}T_{o}^{4})

El flujo de exergía se expresa únicamente en función del flujo de energía o irradiancia y la temperatura ambiente . Para la radiación de cuerpo gris, el flujo de exergía viene dado por la expresión, $M$ $H$ $T_{o}$

M_{GR}=\sigma T^{4}(\epsilon -{\frac {4}{3}}x\epsilon ^{0.75}+{\frac {1}{3}}x^{4})

Como era de esperar, el flujo de exergía de la radiación que no es de cuerpo negro se reduce al resultado de la radiación de cuerpo negro cuando la emisividad es igual a uno.

Tenga en cuenta que el flujo de exergía de la radiación del cuerpo gris puede ser una pequeña fracción del flujo de energía. Por ejemplo, la relación entre el flujo de exergía y el flujo de energía para la radiación de cuerpo gris con emisividad es igual al 40,0%, para y . Es decir, en este caso sólo se puede convertir en trabajo como máximo el 40% del flujo de energía del cuerpo gris (ya sólo el 50% del flujo de energía del cuerpo negro con la misma temperatura de emisión). La radiación del cuerpo gris tiene un espectro similar al espectro del cuerpo negro, pero el flujo de entropía y exergía no puede aproximarse con precisión al de la radiación del cuerpo negro con la misma temperatura de emisión. Sin embargo, puede aproximarse razonablemente mediante el flujo de entropía de la radiación del cuerpo negro con el mismo flujo de energía (menor temperatura de emisión). $(M/H)$ $\epsilon =0.50$ $T=500^{o}C$ $T_{o}=27^{o}C(x=0.388)$

La radiación de cuerpo negro tiene la relación entropía-energía más alta de todas las radiaciones con el mismo flujo de energía, pero la relación entropía-energía más baja y el contenido de exergía más alto de todas las radiaciones con la misma temperatura de emisión. ^[9]^[2] Por ejemplo, el contenido de exergía de la radiación del cuerpo gris es menor que el de la radiación del cuerpo negro con la misma temperatura de emisión y disminuye a medida que disminuye la emisividad. En el ejemplo anterior, el flujo de exergía de la fuente de radiación del cuerpo negro es el 52,5 % del flujo de energía en comparación con el 40,0 % para la radiación del cuerpo gris con , o en comparación con el 15,5 % para la radiación del cuerpo gris con . $x=0.388$ $\epsilon =0.50$ $\epsilon =0.10$

El flujo de exergía de la luz solar

Además de la producción de energía directamente a partir de la luz solar, la radiación solar proporciona la mayor parte de la exergía para los procesos en la Tierra, incluidos los procesos que sustentan directamente los sistemas vivos, así como todos los combustibles y fuentes de energía que se utilizan para el transporte y la producción de energía eléctrica (directamente). o indirectamente). Esto ocurre principalmente con la excepción de las centrales de fisión nuclear y la energía geotérmica (debido a la desintegración natural de la fisión). La energía solar es, en su mayor parte, radiación térmica del Sol con una temperatura de emisión cercana a 5762 Kelvin, pero también incluye pequeñas cantidades de radiación de mayor energía procedente de la reacción de fusión o temperaturas de emisión térmica más altas dentro del Sol. La fuente de la mayor parte de la energía en la Tierra es de origen nuclear.

La siguiente figura muestra espectros típicos de radiación solar en condiciones de cielo despejado para AM0 (radiación solar extraterrestre), AM1 (radiación solar terrestre con un ángulo cenital solar de 0 grados) y AM4 (radiación solar terrestre con un ángulo cenital solar de 75,5 grados). El espectro solar al nivel del mar (espectro solar terrestre) depende de varios factores, incluida la posición del Sol en el cielo, la turbidez atmosférica, el nivel de contaminación atmosférica local y la cantidad y tipo de nubosidad. Estos espectros son para aire relativamente claro (α = 1,3, β = 0,04) suponiendo una atmósfera estándar de EE. UU. con 20 mm de vapor de agua precipitable y 3,4 mm de ozono. La Figura muestra la irradiancia de energía espectral (W/m2μm) que no proporciona información sobre la distribución direccional de la radiación solar. El contenido de exergía de la radiación solar, suponiendo que esté subtenida por el ángulo sólido de la bola del Sol (no circunsolar), es del 93,1%, 92,3% y 90,8%, respectivamente, para los espectros AM0, AM1 y AM4. ^[3]

El contenido de exergía de la radiación solar terrestre ^[3] también se reduce debido a la componente difusa causada por la compleja interacción de la radiación solar, originalmente en un haz de ángulo sólido muy pequeño, con el material de la atmósfera terrestre. Las características y magnitud de la radiación solar terrestre difusa dependen de varios factores, como se mencionó anteriormente, incluida la posición del Sol en el cielo, la turbiedad atmosférica, el nivel de contaminación atmosférica local y la cantidad y tipo de nubosidad. La radiación solar en condiciones de cielo despejado presenta una intensidad máxima hacia el Sol (radiación circunsolar), pero también muestra un aumento de intensidad hacia el horizonte (aclaramiento del horizonte). A diferencia de los cielos nublados y opacos, la radiación solar puede ser completamente difusa, con una intensidad máxima en dirección al cenit y decreciente monótonamente hacia el horizonte. La magnitud del componente difuso generalmente varía con la frecuencia, siendo máxima en la región ultravioleta.

La dependencia del contenido de exergía de la distribución direccional se puede ilustrar considerando, por ejemplo, los espectros terrestres AM1 y AM4 representados en la figura, con los siguientes casos simplificados de distribución direccional:

• Para AM1: el 80% de la radiación solar está contenida en el ángulo sólido subtendido por el Sol, el 10% está contenido y es isotrópico en un ángulo sólido 0,008 sr (este campo de visión incluye la radiación circunsolar), mientras que el 10% restante de la La radiación solar es difusa e isotrópica en el ángulo sólido 2π sr.

• Para AM4: el 65% de la radiación solar está contenida en el ángulo sólido subtendido por el Sol, el 20% de la radiación solar está contenida y es isotrópica en un ángulo sólido 0.008 sr, mientras que el 15% restante de la radiación solar es difusa y isotrópico en el ángulo sólido 2π sr. Tenga en cuenta que cuando el Sol está bajo en el cielo, la componente difusa puede ser la parte dominante de la radiación solar incidente.

Para estos casos de distribución direccional, el contenido de exergía de la radiación solar terrestre para los espectros AM1 y AM4 ^[3] representados es 80,8% y 74,0%, respectivamente. De estos cálculos de muestra se desprende claramente que el contenido de exergía de la radiación solar terrestre depende en gran medida de la distribución direccional de la radiación. Este resultado es interesante porque se podría esperar que el rendimiento de un dispositivo de conversión dependiera de la tasa de fotones entrantes y su distribución espectral, pero no de la distribución direccional de los fotones entrantes. Sin embargo, para un flujo entrante dado de fotones con una determinada distribución espectral, la entropía (nivel de desorden) es mayor cuanto más difusa sea la distribución direccional. Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía entrante de la radiación solar no se puede destruir y, en consecuencia, reduce el rendimiento máximo de trabajo que puede obtenerse mediante un dispositivo de conversión.

exergía química

Al igual que la exergía termomecánica, la exergía química depende de la temperatura y presión de un sistema, así como de su composición. La diferencia clave al evaluar la exergía química versus la exergía termomecánica es que la exergía termomecánica no toma en cuenta la diferencia en un sistema y la composición química del medio ambiente. Si la temperatura, presión o composición de un sistema difiere del estado del medio ambiente, entonces todo el sistema tendrá exergía. ^[14]

La definición de exergía química se parece a la definición estándar de exergía termomecánica, pero con algunas diferencias. La exergía química se define como el trabajo máximo que se puede obtener cuando el sistema considerado reacciona con sustancias de referencia presentes en el medio ambiente. ^[15] Definir el entorno de referencia de exergía es una de las partes más vitales del análisis de la exergía química. En general, el ambiente se define como la composición del aire a 25 °C y 1 atm de presión. En estas propiedades el aire se compone de N ₂ = 75,67 %, O ₂ = 20,35 %, H ₂ O (g) = 3,12 %, CO ₂ = 0,03 % y otros gases = 0,83 %. ^[14] Estas fracciones molares serán útiles al aplicar la Ecuación 8 a continuación.

C _a H _b O _c es la sustancia que ingresa a un sistema del que se quiere encontrar el trabajo teórico máximo. Utilizando las siguientes ecuaciones, se puede calcular la exergía química de la sustancia en un sistema dado. A continuación, la ecuación 8 utiliza la función de Gibbs del elemento o compuesto aplicable para calcular la exergía química. La ecuación 9 es similar pero utiliza exergía química molar estándar, que los científicos han determinado en función de varios criterios, incluida la temperatura y presión ambiente en que se analiza un sistema y la concentración de los componentes más comunes. ^[16] Estos valores se pueden encontrar en libros de termodinámica o en tablas en línea. ^[17]

Ecuaciones importantes

dónde:

${\bar {g}}_{x}$ es la función de Gibbs de la sustancia específica en el sistema en

$\left(T_{0},p_{0}\right)$ . ( se refiere a la sustancia que ingresa al sistema) ${\bar {g}}_{F}$

${\bar {R}}$ es la constante universal de los gases (8,314462 J/mol·K) ^[18]
$T_{0}$ es la temperatura a la que se evalúa el sistema en temperatura absoluta
$y_{x}^{e}$ es la fracción molar de la sustancia dada en el medio ambiente, es decir, el aire

¿Dónde se toma la exergía química molar estándar de una tabla para las condiciones específicas en las que se está evaluando el sistema? ${\bar {e}}_{x}^{ch}$

La ecuación 9 se usa más comúnmente debido a la simplicidad de tener que buscar solo la exergía química estándar para sustancias determinadas. Usar una tabla estándar funciona bien en la mayoría de los casos, incluso si las condiciones ambientales varían ligeramente, lo más probable es que la diferencia sea insignificante.

exergía total

Después de encontrar la exergía química en un sistema dado, se puede encontrar la exergía total sumándola a la exergía termomecánica. Dependiendo de la situación, la cantidad de exergía química añadida puede ser muy pequeña. Si el sistema que se evalúa implica combustión, la cantidad de exergía química es muy grande y necesaria para encontrar la exergía total del sistema.

Irreversibilidad

La irreversibilidad representa la cantidad de exergía destruida en un sistema cerrado o, en otras palabras, el potencial de trabajo desperdiciado. A esto también se le llama energía disipada. Para sistemas altamente eficientes, el valor de $I$ , es bajo y viceversa. La ecuación para calcular la irreversibilidad de un sistema cerrado, en relación con la exergía de ese sistema, es la siguiente: ^[19]

donde , también denotada por $Π$ , es la entropía generada por los procesos dentro del sistema. Si entonces hay irreversibilidades presentes en el sistema. Si entonces no hay irreversibilidades presentes en el sistema. El valor de $I$ , la irreversibilidad, no puede ser negativo, ya que implica destrucción de entropía, una violación directa de la segunda ley de la termodinámica. $S_{\text{gen}}$ $I>0$ $I=0$

El análisis de exergía también relaciona el trabajo real de un dispositivo que produce trabajo con el trabajo máximo que podría obtenerse en el proceso reversible o ideal:

Es decir, la irreversibilidad es la producción de trabajo máxima ideal menos la producción de trabajo real. Mientras que, para un dispositivo que consume trabajo, como la refrigeración o la bomba de calor, la irreversibilidad es el trabajo real menos el trabajo mínimo ideal.

El primer término en la parte derecha está relacionado con la diferencia de exergía en la entrada y salida del sistema: ^[19]

donde $B$ también se denota por $Ξ o$ X.

Para un sistema aislado no hay interacciones de calor o trabajo ni transferencias de exergía entre el sistema y su entorno. Por lo tanto, la exergía de un sistema aislado sólo puede disminuir, en una magnitud igual a la irreversibilidad de ese sistema o proceso,

Aplicaciones

Al aplicar la ecuación ( 1 ) a un subsistema se obtiene:

Esta expresión se aplica igualmente a ideales teóricos en una amplia variedad de aplicaciones: electrólisis (disminución de G ), pilas galvánicas y pilas de combustible (aumento de G ), explosivos (aumento de A ), calefacción y refrigeración (intercambio de H ), motores . (disminución de U ) y generadores (aumento de U ).

La utilización del concepto de exergía a menudo requiere una consideración cuidadosa de la elección del entorno de referencia porque, como sabía Carnot, no existen reservorios ilimitados en el mundo real. Un sistema puede mantenerse a una temperatura constante para simular un depósito ilimitado en el laboratorio o en una fábrica, pero esos sistemas no pueden aislarse de un entorno circundante más amplio. Sin embargo, con una elección adecuada de los límites del sistema, se puede imaginar un depósito constante razonable. A veces hay que comparar un proceso con "la imposibilidad más realista", y esto implica invariablemente una cierta cantidad de conjeturas. ^{[ cita necesaria ]}

Aplicaciones de ingeniería

Uno de los objetivos de los métodos de energía y exergía en ingeniería es calcular lo que entra y sale de varios diseños posibles antes de construir un diseño. La entrada y salida de energía siempre se equilibrarán según la Primera Ley de la Termodinámica o el principio de conservación de energía. La producción de exergía no será igual a la entrada de exergía en los procesos reales, ya que una parte de la entrada de exergía siempre se destruye de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica para los procesos reales. Una vez calculadas las entradas y salidas, un ingeniero a menudo querrá seleccionar el proceso más eficiente. Una eficiencia energética o eficiencia de primera ley determinará el proceso más eficiente basándose en desperdiciar la menor cantidad de energía posible en relación con los insumos de energía. Una eficiencia exergética o eficiencia de la segunda ley determinará el proceso más eficiente basado en desperdiciar y destruir la menor cantidad de trabajo disponible posible a partir de una determinada entrada de trabajo disponible, por unidad de cualquiera que sea el resultado deseado.

La exergía se ha aplicado en varias aplicaciones de diseño para optimizar sistemas o identificar componentes o subsistemas con mayor potencial de mejora. Por ejemplo, un análisis de exergía de los sistemas de control ambiental de la estación espacial internacional reveló que el conjunto de generación de oxígeno era el subsistema que destruía la mayor cantidad de exergía. ^[20]

La exergía es particularmente útil para análisis amplios de ingeniería con muchos sistemas de variada naturaleza, ya que puede representar sistemas mecánicos, eléctricos, nucleares, químicos o térmicos. Por este motivo, el análisis de exergía también se ha utilizado para optimizar el rendimiento de los vehículos cohete. ^[21] El análisis de exergía proporciona información adicional, en relación con el análisis de energía solo, porque incorpora la segunda ley y considera tanto el sistema como su relación con su entorno. Por ejemplo, el análisis de exergía se ha utilizado para comparar posibles sistemas de generación y almacenamiento de energía en la Luna, ya que el análisis de exergía se realiza en referencia a las condiciones ambientales operativas únicas de una aplicación específica, como en la superficie de la Luna. ^[22]

La aplicación de exergía a operaciones unitarias en plantas químicas fue parcialmente responsable del enorme crecimiento de la industria química durante el siglo XX. ^{[ cita necesaria ]}

Como ejemplo simple de exergía, el aire en condiciones atmosféricas de temperatura, presión y composición contiene energía pero no exergía cuando se elige como estado termodinámico de referencia conocido como ambiente . Los procesos individuales en la Tierra, como la combustión en una planta de energía, a menudo dan como resultado productos que se incorporan a la atmósfera, por lo que definir este estado de referencia para la exergía es útil incluso si la atmósfera en sí no está en equilibrio y está llena de variaciones a largo y corto plazo. .

Si se utilizan condiciones ambientales estándar para los cálculos durante el funcionamiento de una planta química cuando el clima real es muy frío o caluroso, entonces ciertas partes de una planta química podrían parecer tener una eficiencia exergética superior al 100%. Sin tener en cuenta la variación atípica de la temperatura atmosférica, estos cálculos pueden dar la impresión de ser una máquina en perpetuo movimiento. El uso de condiciones reales dará valores reales, pero las condiciones ambientales estándar son útiles para los cálculos de diseño iniciales.

Aplicaciones en la utilización de recursos naturales.

En las últimas décadas, la utilización de la exergía se ha extendido fuera de la física y la ingeniería a los campos de la ecología industrial , la economía ecológica , la ecología de sistemas y la energía . Definir dónde termina un campo y comienza el siguiente es una cuestión de semántica, pero las aplicaciones de la exergía pueden clasificarse en categorías rígidas. Después del importante trabajo de Jan Szargut que destacó la relación entre exergía y disponibilidad, ^[23] es necesario recordar "Exergy Ecology and Democracy". ^[24] de Goran Wall, un breve ensayo, que evidencia la estricta relación que relaciona la disrupción exergética con la disrupción ambiental y social. De esta actividad se ha derivado una actividad investigadora fundamental en economía ecológica y contabilidad ambiental: realizar análisis de costes exergéticos con el fin de evaluar el impacto de la actividad humana en el medio natural actual y futuro . Al igual que ocurre con el aire ambiente, esto a menudo requiere la sustitución poco realista de propiedades de un entorno natural en lugar del entorno estatal de referencia de Carnot. Por ejemplo, los ecologistas y otros han desarrollado condiciones de referencia para el océano y la corteza terrestre . Los valores de exergía de la actividad humana utilizando esta información pueden ser útiles para comparar alternativas de políticas basadas en la eficiencia de la utilización de los recursos naturales para realizar el trabajo. Las preguntas típicas que pueden responderse son:

¿La producción humana de una unidad de un bien económico mediante el método A utiliza más exergía de un recurso que mediante el método B ?

¿La producción humana del bien económico A utiliza más exergía de un recurso que la producción del bien B ?

¿La producción humana del bien económico A utiliza la exergía de un recurso de manera más eficiente que la producción del bien B ?

Ha habido algunos avances en la estandarización y aplicación de estos métodos.

La medición de la exergía requiere la evaluación del entorno del estado de referencia de un sistema. ^[25] Con respecto a las aplicaciones de la exergía en la utilización de recursos naturales, el proceso de cuantificación de un sistema requiere la asignación de valor (tanto utilizado como potencial) a recursos que no siempre se analizan fácilmente en términos típicos de costo-beneficio. Sin embargo, para aprovechar plenamente el potencial de un sistema para funcionar, se vuelve cada vez más imperativo comprender el potencial exergético de los recursos naturales ^[26] y cómo la interferencia humana altera este potencial.

Hacer referencia a las cualidades inherentes de un sistema en lugar de un estado ambiental de referencia ^[25] es la forma más directa en que los ecologistas determinan la exergía de un recurso natural. Específicamente, es más fácil examinar las propiedades termodinámicas de un sistema y las sustancias de referencia ^[27] que son aceptables dentro del entorno de referencia. ^[27] Esta determinación permite asumir cualidades en un estado natural: la desviación de estos niveles puede indicar un cambio en el medio ambiente causado por fuentes externas. Hay tres tipos de sustancias de referencia que son aceptables, debido a su proliferación en el planeta: gases dentro de la atmósfera , sólidos dentro de la corteza terrestre y moléculas o iones en el agua de mar. ^[25] Al comprender estos modelos básicos, es posible determinar la exergía de múltiples sistemas terrestres que interactúan, como los efectos de la radiación solar sobre la vida vegetal. ^[28] Estas categorías básicas se utilizan como los componentes principales de un entorno de referencia al examinar cómo se puede definir la exergía a través de los recursos naturales.

Otras cualidades dentro de un entorno de estado de referencia incluyen la temperatura, la presión y cualquier número de combinaciones de sustancias dentro de un área definida. ^[25] Nuevamente, la exergía de un sistema está determinada por el potencial de ese sistema para realizar trabajo, por lo que es necesario determinar las cualidades básicas de un sistema antes de que sea posible comprender el potencial de ese sistema. El valor termodinámico de un recurso se puede encontrar multiplicando la exergía del recurso por el costo de obtenerlo y procesarlo. ^[25]

Hoy en día, se está volviendo cada vez más popular analizar los impactos ambientales de la utilización de los recursos naturales, especialmente para el uso de energía. ^[29] Para comprender las ramificaciones de estas prácticas, la exergía se utiliza como herramienta para determinar el potencial de impacto de las emisiones , los combustibles y otras fuentes de energía. ^[29] La combustión de combustibles fósiles, por ejemplo, se examina con respecto a la evaluación de los impactos ambientales de la quema de carbón , petróleo y gas natural . Los métodos actuales para analizar las emisiones de estos tres productos se pueden comparar con el proceso de determinación de la exergía de los sistemas afectados; específicamente, es útil examinarlos con respecto al estado de referencia de los gases dentro de la atmósfera . ^[26] De esta manera, es más fácil determinar cómo la acción humana está afectando el medio ambiente natural.

Aplicaciones en sostenibilidad

En ecología de sistemas , los investigadores a veces consideran la exergía de la formación actual de recursos naturales a partir de una pequeña cantidad de entradas de exergía (generalmente radiación solar , fuerzas de marea y calor geotérmico ). Esta aplicación no sólo requiere suposiciones sobre los estados de referencia, sino que también requiere suposiciones sobre los entornos reales del pasado que podrían haber estado cerca de esos estados de referencia. ¿Podemos decidir cuál es la "imposibilidad más realista" durante un período de tiempo tan largo cuando sólo estamos especulando sobre la realidad?

Por ejemplo, comparar la exergía del petróleo con la exergía del carbón utilizando un estado de referencia común requeriría entradas de exergía geotérmica para describir la transición del material biológico a combustibles fósiles durante millones de años en la corteza terrestre, y entradas de exergía de la radiación solar para describir la historia del material antes de esa fecha. cuando formaba parte de la biosfera. Esto tendría que llevarse a cabo matemáticamente hacia atrás en el tiempo, hasta una supuesta era en la que se podría suponer que el petróleo y el carbón reciben los mismos aportes de exergía de estas fuentes. Una especulación sobre un entorno pasado es diferente de asignar un estado de referencia con respecto a entornos conocidos hoy. Se pueden hacer conjeturas razonables sobre entornos antiguos reales, pero son conjeturas que no se pueden comprobar, por lo que algunos consideran esta aplicación como pseudociencia o pseudoingeniería.

El campo describe esta exergía acumulada en un recurso natural a lo largo del tiempo como energía incorporada con unidades de "julio incorporado" o "emjoule".

La aplicación importante de esta investigación es abordar cuestiones de sostenibilidad de forma cuantitativa a través de una medición de la sostenibilidad :

¿La producción humana de un bien económico agota la exergía de los recursos naturales de la Tierra más rápidamente de lo que esos recursos pueden recibir exergía?

Si es así, ¿cómo se compara esto con el agotamiento causado por producir el mismo bien (o uno diferente) utilizando un conjunto diferente de recursos naturales?

Política exergética y medioambiental.

Hoy en día las políticas ambientales no consideran la exergía como un instrumento para una política ambiental más equitativa y efectiva. Recientemente, el análisis de exergía permitió obtener una falla importante en los balances de emisiones de GEI de los gobiernos actuales , que a menudo no consideran las emisiones relacionadas con el transporte internacional, por lo que no se contabilizan los impactos de la importación/exportación ^[30].

Por lo tanto, algunos casos preliminares de los impactos del transporte de importación y exportación y de la tecnología han proporcionado evidencia de la oportunidad de introducir una tributación efectiva basada en la exergía que pueda reducir el impacto fiscal en los ciudadanos. Además, la exergía puede ser un instrumento valioso para una estimación eficaz del camino hacia los objetivos de desarrollo sostenible ( ODS ) de la ONU. ^[31]

Asignar un valor obtenido termodinámicamente a un bien económico

Una técnica propuesta por los ecologistas de sistemas es consolidar las tres entradas de exergía descritas en la última sección en una única entrada de exergía de la radiación solar y expresar la entrada total de exergía en un bien económico como un julio o sej incorporado solar . ( Ver Emergía ) Las entradas de exergía de las fuerzas solares, de marea y geotérmicas tuvieron su origen al mismo tiempo en el comienzo del sistema solar en condiciones que podrían elegirse como estado de referencia inicial, y en teoría se podrían rastrear otros estados de referencia especulativos. volver a esa época. Con esta herramienta podríamos responder:

¿Qué fracción del agotamiento humano total de la exergía de la Tierra es causada por la producción de un bien económico particular?

¿Qué fracción del agotamiento total humano y no humano de la exergía de la Tierra es causada por la producción de un bien económico particular?

No se requieren leyes termodinámicas adicionales para esta idea, y los principios de la energética pueden confundir muchas cuestiones para quienes no están en el campo. La combinación de hipótesis no comprobables, una jerga desconocida que contradice la jerga aceptada, una intensa defensa entre sus partidarios y cierto grado de aislamiento de otras disciplinas han contribuido a que muchos consideren esta protociencia como una pseudociencia . Sin embargo, sus principios básicos son sólo una utilización adicional del concepto de exergía.

Implicaciones en el desarrollo de sistemas físicos complejos

Una hipótesis común en ecología de sistemas es que la observación del ingeniero de diseño de que se necesita una mayor inversión de capital para crear un proceso con mayor eficiencia exergética es en realidad el resultado económico de una ley fundamental de la naturaleza. Según este punto de vista, la exergía es el análogo de la moneda económica en el mundo natural. La analogía con la inversión de capital es la acumulación de exergía en un sistema durante largos períodos de tiempo, lo que da como resultado energía incorporada . La analogía de la inversión de capital que resulta en una fábrica con alta eficiencia exergética es un aumento en las estructuras organizativas naturales con alta eficiencia exergética. ( Ver Potencia máxima ). Los investigadores en estos campos describen la evolución biológica en términos de aumentos en la complejidad del organismo debido a la necesidad de una mayor eficiencia exergética debido a la competencia por fuentes limitadas de exergía.

Algunos biólogos tienen una hipótesis similar. Un sistema biológico (o una planta química) con varios compartimentos intermedios y reacciones intermedias es más eficiente porque el proceso se divide en muchos subpasos pequeños, y esto se acerca más al ideal reversible de un número infinito de subpasos infinitesimales . Naturalmente, un número demasiado grande de compartimentos intermedios conlleva un coste de capital que puede ser demasiado elevado.

Probar esta idea en organismos vivos o ecosistemas es imposible para todos los propósitos prácticos debido a las grandes escalas de tiempo y las pequeñas entradas de exergía involucradas para que se produzcan cambios. Sin embargo, si esta idea es correcta, no sería una nueva ley fundamental de la naturaleza. Serían simplemente sistemas vivos y ecosistemas maximizando su eficiencia exergética utilizando las leyes de la termodinámica desarrolladas en el siglo XIX.

Implicaciones filosóficas y cosmológicas.

Algunos defensores de la utilización de conceptos exergéticos los describen como una alternativa biocéntrica o ecocéntrica para términos como calidad y valor . El movimiento de la " ecología profunda " considera el uso económico de estos términos como una filosofía antropocéntrica que debería descartarse. Un posible concepto termodinámico universal de valor o utilidad atrae a aquellos interesados en el monismo .

Para algunos, el resultado de esta línea de pensamiento sobre el seguimiento de la exergía hasta el pasado profundo es una reafirmación del argumento cosmológico de que el universo alguna vez estuvo en equilibrio y que una entrada de exergía de alguna Primera Causa creó un universo lleno de trabajo disponible. La ciencia actual es incapaz de describir los primeros 10 ⁻⁴³ segundos del universo ( ver Cronología del Big Bang ). No se puede definir un estado de referencia externo para tal evento y (independientemente de sus méritos), tal argumento puede expresarse mejor en términos de entropía .

Calidad de los tipos de energía.

La relación entre exergía y energía en una sustancia puede considerarse una medida de la calidad de la energía . Las formas de energía, como la energía cinética macroscópica, la energía eléctrica y la energía química libre de Gibbs, son 100% recuperables como trabajo y, por lo tanto, tienen una exergía igual a su energía. Sin embargo, formas de energía como la radiación y la energía térmica no se pueden convertir completamente en trabajo y tienen un contenido de exergía menor que su contenido de energía. La proporción exacta de exergía en una sustancia depende de la cantidad de entropía relativa al entorno que la rodea, según lo determinado por la Segunda Ley de la Termodinámica .

La exergía es útil para medir la eficiencia de un proceso de conversión de energía. La eficiencia exergética, o segunda ley, es una relación entre la producción de exergía dividida por la entrada de exergía. Esta formulación tiene en cuenta la calidad de la energía, ofreciendo a menudo un análisis más preciso y útil que las estimaciones de eficiencia utilizando únicamente la Primera Ley de la Termodinámica .

También se puede extraer trabajo de cuerpos más fríos que el entorno. Cuando un flujo de energía ingresa al cuerpo, esta energía realiza un trabajo obtenido del gran reservorio que lo rodea. Un tratamiento cuantitativo de la noción de calidad energética se basa en la definición de energía. Según la definición estándar, la energía es una medida de la capacidad para realizar un trabajo. El trabajo puede implicar el movimiento de una masa mediante una fuerza que resulta de una transformación de energía. Si hay una transformación de energía, el segundo principio de las transformaciones del flujo de energía dice que este proceso debe implicar la disipación de algo de energía en forma de calor. Medir la cantidad de calor liberado es una forma de cuantificar la energía o la capacidad de realizar un trabajo y aplicar una fuerza a una distancia.

Exergía de calor disponible a una temperatura

La máxima conversión posible de calor en trabajo, o contenido de exergía de calor, depende de la temperatura a la que el calor está disponible y del nivel de temperatura al que se puede eliminar el calor rechazado, es decir, la temperatura del entorno. El límite superior de conversión se conoce como eficiencia de Carnot y fue descubierto por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824. Véase también Motor térmico de Carnot .

La eficiencia de Carnot es

donde T _H es la temperatura más alta y T _C es la temperatura más baja, ambas como temperatura absoluta . De la Ecuación 15 queda claro que para maximizar la eficiencia se debe maximizar T _H y minimizar T _C .

La exergia intercambiada es entonces:

donde T _fuente es la temperatura de la fuente de calor y To _es la temperatura del entorno.

Conexión con el valor económico

En cierto sentido, la exergía puede entenderse como una medida del valor de la energía. Dado que los portadores de energía de alta exergía se pueden utilizar para fines más versátiles, debido a su capacidad para realizar más trabajo, se puede postular que tienen más valor económico. Esto se puede observar en los precios de los portadores de energía, es decir, los portadores de energía de alta exergía, como la electricidad, tienden a ser más valiosos que los de baja exergía, como diversos combustibles o el calor. Esto ha llevado a la sustitución de portadores de energía de alta exergía más valiosos por portadores de energía de baja exergía, cuando es posible. Un ejemplo son los sistemas de calefacción, donde una mayor inversión en sistemas de calefacción permite utilizar fuentes de energía de baja energía. Por ello, el alto contenido de exergía se está sustituyendo por inversiones de capital. ^[32]

Evaluación del ciclo de vida (LCA) basada en exergía

La exergía de un sistema es el trabajo útil máximo posible durante un proceso que pone al sistema en equilibrio con un depósito de calor. ^[33]^[34] Wall ^[35] establece claramente la relación entre el análisis de exergía y la contabilidad de recursos. ^[36] Esta intuición confirmada por Dewulf ^[37] Sciubba ^[38] conduce a la contabilidad exergoeconómica ^[39] y a métodos específicamente dedicados al ACV, como el insumo de material exergético por unidad de servicio (EMIPS). ^[40] El concepto de entrada de materiales por unidad de servicio (MIPS) se cuantifica en términos de la segunda ley de la termodinámica, lo que permite calcular tanto la entrada de recursos como la producción de servicios en términos de exergía. Este insumo de material exergético por unidad de servicio (EMIPS) ha sido elaborado para la tecnología del transporte. El servicio no sólo tiene en cuenta la masa total a transportar y la distancia total, sino también la masa por transporte individual y el tiempo de entrega. La aplicabilidad de la metodología EMIPS se relaciona específicamente con el sistema de transporte y permite un acoplamiento efectivo con la evaluación del ciclo de vida . ^[40] El análisis de exergía según EMIPS permitió definir una estrategia precisa para reducir los impactos ambientales del transporte hacia un transporte más sostenible . ^[41] Una estrategia de este tipo requiere la reducción del peso de los vehículos, estilos de conducción sostenibles, reducir la fricción de los neumáticos, fomentar los vehículos eléctricos e híbridos, ^{[42] mejorar el}entorno para caminar y andar en bicicleta en las ciudades y reforzar el papel de transporte público, especialmente ferrocarril eléctrico . ^[43]

Historia

Carnot

En 1824, Sadi Carnot estudió las mejoras desarrolladas por James Watt y otros para las máquinas de vapor . Carnot utilizó una perspectiva puramente teórica para estos motores y desarrolló nuevas ideas. El escribio:

A menudo se ha planteado la cuestión de si la fuerza motriz del calor es ilimitada, si las posibles mejoras en las máquinas de vapor tienen un límite asignable, un límite que la naturaleza de las cosas no permite traspasar por ningún medio... Para considerar del modo más general el principio de producción de movimiento por calor, hay que considerarlo independientemente de cualquier mecanismo o agente particular. Es necesario establecer principios aplicables no sólo a las máquinas de vapor sino a todas las máquinas térmicas imaginables... La producción de movimiento en las máquinas de vapor va siempre acompañada de una circunstancia en la que debemos fijar nuestra atención. Esta circunstancia es el restablecimiento del equilibrio... Imaginemos dos cuerpos A y B, mantenidos cada uno a una temperatura constante, siendo la de A superior a la de B. Estos dos cuerpos, a los que podemos dar o de los que podemos eliminar el calor sin que su temperatura varíe, ejercer las funciones de dos depósitos ilimitados... ^[4]

Carnot describió a continuación lo que ahora se llama máquina de Carnot y demostró mediante un experimento mental que cualquier máquina térmica que funcionara mejor que esta sería una máquina de movimiento perpetuo . Incluso en la década de 1820, había una larga historia de ciencia que prohibía tales dispositivos. Según Carnot, "una creación así es enteramente contraria a las ideas ahora aceptadas, a las leyes de la mecánica y de la física sólida . Es inadmisible". ^[4]

Esta descripción de un límite superior del trabajo que puede realizar un motor fue la primera formulación moderna de la segunda ley de la termodinámica . Como no implica matemáticas, a menudo sirve como punto de entrada para una comprensión moderna tanto de la segunda ley como de la entropía . El enfoque de Carnot en las máquinas térmicas , el equilibrio y los depósitos de calor es también el mejor punto de entrada para comprender el concepto estrechamente relacionado de exergía.

Carnot creía en la teoría calórica incorrecta del calor que era popular en su época, pero su experimento mental describía, no obstante, un límite fundamental de la naturaleza. A medida que la teoría cinética reemplazó a la teoría calórica a principios y mediados del siglo XIX ( ver Cronología de la termodinámica ), varios científicos agregaron precisión matemática a la primera y segunda leyes de la termodinámica y desarrollaron el concepto de entropía . El enfoque de Carnot en los procesos a escala humana (por encima del límite termodinámico ) condujo a los conceptos de física más universalmente aplicables . La entropía y la segunda ley se aplican hoy en campos que van desde la mecánica cuántica hasta la cosmología física .

Gibbs

En la década de 1870, Josiah Willard Gibbs unificó una gran cantidad de termoquímica del siglo XIX en una teoría compacta. La teoría de Gibbs incorporó el nuevo concepto de potencial químico para provocar cambios cuando está lejos de un equilibrio químico en el trabajo más antiguo iniciado por Carnot al describir el equilibrio térmico y mecánico y sus potenciales de cambio. La teoría unificadora de Gibbs dio como resultado las funciones de estado potencial termodinámico que describen diferencias con respecto al equilibrio termodinámico .

En 1873, Gibbs derivó las matemáticas de la "energía disponible del cuerpo y del medio" en la forma que tiene hoy. ^[3] (Ver las ecuaciones anteriores). La física que describe la exergía ha cambiado poco desde entonces.

Helmholtz

En la década de 1880, el científico alemán Herman Von Helmholtz derivó la ecuación del trabajo máximo que puede obtenerse reversiblemente de un sistema cerrado. ^[44]

Despotricar

En 1956, el erudito yugoslavo Zoran Rant propuso el concepto de exergía, ampliando el trabajo de Gibbs y Helmholtz. Desde entonces, el desarrollo continuo del análisis de la exergía ha visto muchas aplicaciones en termodinámica, y la exergía ha sido aceptada como el máximo trabajo teórico útil que se puede obtener de un sistema con respecto a su entorno. ^[44]

Ver también

Notas

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Referencias

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Otras lecturas

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enlaces externos

Energía, incorporación de exergía, una revista internacional.
Una bibliografía comentada sobre exergía/disponibilidad
Exergía: un concepto útil de Göran Wall
Libro de texto de exergética para el autoaprendizaje de Göran Wall
Exergía de Isidoro Martínez
Calculadora de exergía del Portal de Exergoecología
Gráfico de recursos de exergía global
Guía del Anexo 37 del ECBCS de la IEA, Sistemas de baja exergía para calefacción y refrigeración de edificios
Introducción al concepto de exergía