En ingeniería térmica , la eficiencia exergética (también conocida como eficiencia de la segunda ley o eficiencia racional ) calcula la efectividad de un sistema en relación con su rendimiento en condiciones reversibles . Se define como la relación entre la eficiencia térmica de un sistema real en comparación con una versión idealizada o reversible del sistema para motores térmicos . También se puede describir como la relación entre la salida de trabajo útil del sistema y la salida de trabajo reversible para sistemas que consumen trabajo. Para refrigeradores y bombas de calor , es la relación entre el coeficiente de rendimiento (COP) real y el COP reversible.
La razón por la que se necesita la eficiencia de la segunda ley es porque las eficiencias de la primera ley no tienen en cuenta una versión idealizada del sistema para la comparación. El uso exclusivo de las eficiencias de la primera ley puede llevar a creer que un sistema es más eficiente de lo que es en realidad. Por lo tanto, las eficiencias de la segunda ley son necesarias para obtener una imagen más realista de la eficacia de un sistema. A partir de la segunda ley de la termodinámica se puede demostrar que ningún sistema puede ser 100% eficiente.
El balance de exergía B de un proceso da:
con eficiencia exergética definida como:
Para muchos sistemas de ingeniería esto se puede reformular así:
¿Dónde está la energía de reacción estándar de Gibbs (libre) a temperatura y presión (también conocida como cambio de la función de Gibbs estándar ), es la salida de trabajo neto y es el caudal másico del combustible?
De la misma manera la eficiencia energética se puede definir como:
¿Dónde está la entalpía estándar de reacción a temperatura y presión ?
La destrucción de exergía está estrechamente relacionada con la creación de entropía y, por lo tanto, cualquier sistema que contenga procesos altamente irreversibles tendrá una baja eficiencia energética. Por ejemplo, el proceso de combustión dentro de una turbina de gas en una central eléctrica es altamente irreversible y aproximadamente el 25% de la exergía de entrada se destruirá en él.
En el caso de los combustibles fósiles, la entalpía libre de reacción suele ser apenas ligeramente inferior a la entalpía de reacción, por lo que, a partir de las ecuaciones ( 3 ) y ( 4 ), podemos ver que la eficiencia energética será correspondientemente mayor que la eficiencia de la ley energética. Por ejemplo, una planta de energía de ciclo combinado típica que queme metano puede tener una eficiencia energética del 55%, mientras que su eficiencia exergética será del 57%. Una planta de energía alimentada con metano con una eficiencia exergética del 100% correspondería a una eficiencia energética del 98%.
Esto significa que para muchos de los combustibles que utilizamos, la eficiencia máxima que se puede lograr es >90%, sin embargo estamos restringidos a la eficiencia de Carnot en muchas situaciones cuando se utiliza un motor térmico.
En cualquier motor térmico, la eficiencia exergética compara un ciclo dado con un motor térmico de Carnot con la temperatura del lado frío en equilibrio con el ambiente. Nótese que un motor de Carnot es el motor térmico más eficiente posible, pero no el dispositivo más eficiente para crear trabajo. Las celdas de combustible , por ejemplo, pueden alcanzar teóricamente eficiencias mucho más altas que un motor de Carnot; su fuente de energía no es energía térmica y, por lo tanto, su eficiencia exergética no las compara con un motor de Carnot. [1] [2]
Ni la primera ni la segunda ley de la termodinámica incluyen una medida de la tasa de transformación de energía. Cuando se incluye una medida de la tasa máxima de transformación de energía en la medida de la eficiencia de la segunda ley, se la conoce como eficiencia de la segunda ley bajo potencia máxima y está directamente relacionada con el principio de potencia máxima (Gilliland 1978, p. 101).
Las aplicaciones que buscan cambios en las corrientes de flujo, como la concentración de especies, requieren definiciones más cuidadosas de los volúmenes de control y los estados finales deseados. Por ejemplo, para los sistemas HVAC que buscan enfriar y deshumidificar, es razonable definir sus eficiencias de segunda ley para enfriamiento y deshumidificación calculando los cambios de exergía de todas las corrientes de aire y agua entrantes y salientes, mientras se supone una temperatura y humedad del aire de suministro objetivo. [3] En contraste, en la desalinización térmica, por ejemplo, la temperatura de las corrientes en los sistemas reales no es importante, por lo que los cálculos deben incluir volúmenes de control que permitan que las corrientes de salmuera y agua pura salientes alcancen el equilibrio térmico con su entorno.
