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 desempeño 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 producción de trabajo útil del sistema y la producción de trabajo reversible para sistemas que consumen trabajo. Para refrigeradores y bombas de calor , es la relación entre el coeficiente de rendimiento real (COP) 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 toman en cuenta una versión idealizada del sistema para comparar. El uso exclusivo de eficiencias de la primera ley puede llevar a uno a creer que un sistema es más eficiente de lo que es en realidad. Por 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 como:
¿Dónde está la energía de reacción (libre) de Gibbs estándar a temperatura y presión (también conocida como cambio de función de Gibbs estándar ), es la producción neta de trabajo y es el caudal másico de 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, como tal, cualquier sistema que contenga procesos altamente irreversibles tendrá una baja eficiencia energética. Por ejemplo, el proceso de combustión dentro de la turbina de gas de una central eléctrica es altamente irreversible y aproximadamente el 25% de la entrada de exergía se destruirá aquí.
Para los combustibles fósiles, la entalpía libre de reacción suele ser sólo ligeramente menor que 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 típica central eléctrica de ciclo combinado que quema metano puede tener una eficiencia energética del 55%, mientras que su eficiencia exergética será del 57%. Una central eléctrica 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.
Para 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 medio ambiente. Tenga en cuenta que una máquina de Carnot es la máquina térmica más eficiente posible, pero no el dispositivo más eficiente para crear trabajo. Las pilas de combustible , por ejemplo, en teoría pueden alcanzar eficiencias mucho más altas que un motor Carnot; su fuente de energía no es energía térmica y, por tanto, su eficiencia exergética no los 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 una medida de la tasa máxima de transformación de energía se incluye 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).
