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 trabajo útil. El análisis de exergía tiene amplias aplicaciones en diversos campos, entre ellos la ingeniería energética, la ciencia medioambiental 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 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 los esfuerzos de diseño, evaluación del rendimiento y optimización. En termodinámica , la exergía de un sistema es el trabajo útil máximo que se puede producir cuando el sistema se pone en equilibrio con su entorno mediante un proceso ideal. ^[4] La especificación de un "proceso ideal" permite la determinación de la producción de "trabajo máximo". Desde una perspectiva conceptual, la exergía es el potencial "ideal" de un sistema para realizar trabajo o causar un cambio a medida que alcanza el equilibrio con su entorno. La exergía también se conoce como "disponibilidad". La exergía no es 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 significan "a partir del trabajo ", ^[5]^[3] pero el concepto había sido desarrollado anteriormente por J. Willard Gibbs (el homónimo de la energía libre de Gibbs ) en 1873. ^[4]

La energía no se crea ni se destruye, sino que simplemente se convierte de una forma a otra (véase la primera ley de la termodinámica ). A diferencia de la energía, la exergía siempre se destruye cuando un proceso no es ideal o irreversible (véase la segunda ley de la termodinámica ). Para ilustrarlo, cuando alguien afirma que "gasté mucha energía corriendo por esa colina", la afirmación contradice la primera ley. Aunque la energía no se consume, intuitivamente percibimos que algo sí lo hace. El punto clave es que la energía tiene una cualidad o medidas de utilidad, y esta cualidad energética (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 la tasa de "irreversibilidad" es proporcional a esta producción de entropía ( teorema de Gouy-Stodola ). Donde la producción de entropía puede calcularse como el aumento neto de entropía del sistema junto con su entorno. La producción de entropía se debe a cosas 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 ocurre con la pérdida de masa o calor, donde el flujo o la transferencia de exergía es potencialmente recuperable. La calidad energética 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 de porcentaje. Por ejemplo, mientras que el contenido de exergía del trabajo eléctrico producido por una planta de energía térmica es del 100%, el contenido de exergía del calor de bajo grado rechazado por la planta de energía, por ejemplo, a 41 grados Celsius, en relación con una temperatura ambiente de 25 grados Celsius, es solo del 5%.

Definiciones

La exergía es una propiedad combinada ^[6] de un sistema y su entorno porque depende del estado de ambos y es una 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 lo tanto, siempre es una función de estado . Algunos autores definen la exergía del sistema como que cambia cuando cambia el entorno, en cuyo caso no es una función de estado. Otros autores prefieren ^{[ cita requerida ]} una definición ligeramente alternativa de la energía disponible o exergía 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 únicamente.

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 este enfoque se debe 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 asumirá que, a menos que se indique lo contrario, las propiedades intensivas del entorno no cambian debido a su interacción con el sistema.

En el caso de un motor térmico , la exergía se puede definir de forma sencilla en sentido absoluto, como la energía de entrada multiplicada por la eficiencia de Carnot , suponiendo que el depósito de calor de baja temperatura se encuentra a la temperatura del entorno. Dado que muchos sistemas se pueden modelar como un motor térmico, esta definición puede ser 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 es también sinónimo de energía disponible , energía exérgica , esergía (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 el ciclo completo 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 ser realizado por un motor reversible. Específicamente, con Q _H el calor provisto 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 la propiedad de un sistema en un entorno dado. El análisis de exergía no es solo 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, considere 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 la energía no se realiza trabajo. Por otro lado, para la expansión realizada contra una pared móvil que siempre coincida con la presión (variable) del gas en expansión (por lo que la pared desarrolla energía cinética despreciable), sin transferencia de calor (pared adiabática), se realizaría el trabajo máximo. Esto corresponde a la exergía. Por lo tanto, en términos de exergía, Carnot consideró la exergía para un proceso cíclico con dos depósitos térmicos (temperaturas fijas). Así como el trabajo realizado depende del proceso, también la exergía depende del proceso, lo que se reduce al resultado de Carnot para el caso de Carnot.

W. Thomson (desde 1892, Lord Kelvin), ya en 1849 se ejercitó sobre lo que él llamaba “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, por ejemplo, la fricción, la conducción eléctrica (difusión de carga impulsada por el campo eléctrico), la conducción de calor (difusión térmica impulsada por la temperatura), los procesos viscosos (difusión de momento transversal) y la difusión de partículas (tinta en agua). Por otra parte, Kelvin no indicó cómo calcular la “energía perdida”. Esto aguardó los trabajos de Onsager de 1931 y 1932 sobre los procesos irreversibles.

Descripción matemática

Una aplicación de la segunda ley de la termodinámica

La exergía utiliza los límites del sistema de una manera que resulta desconocida para muchos. Imaginamos la presencia de una máquina de Carnot entre el sistema y su entorno de referencia, aunque esta máquina no exista en el mundo real. Su único propósito es medir los resultados de un escenario hipotético 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 comporta 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 enunciados matemáticos equivalentes. Sea B , la exergía o trabajo disponible, que disminuye con el tiempo, y S _total , la entropía del sistema y su entorno de referencia encerrados juntos en un sistema aislado más grande , que aumenta con el tiempo:

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

donde las magnitudes extensivas para el sistema son: U = Energía interna , V = Volumen y N _i = Moles del componente i . Las magnitudes 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 es:

El segundo término es 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 asociados: 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 para reconocer qué variables naturales corresponden a qué potencial. Para la nomenclatura recomendada de estos potenciales, consulte (Alberty, 2001) ^[2] . La ecuación ( 2 ) es útil para procesos en los que el volumen del sistema, la entropía y el número de moles de varios componentes cambian porque la energía interna también es una función de estas variables y no de otras.

Una definición alternativa de energía interna no separa el potencial químico disponible de 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 dado de sustancias químicas con una entropía y un volumen determinados tendrá un único valor numérico para este potencial termodinámico. Un sistema de múltiples estados puede complicar o simplificar el problema porque la regla de fases 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 , planteó (y respondió inmediatamente) la pregunta

¿Existe algún principio en el que se pueda basar 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 perspectiva que ofrece la ecuación ( 5 ), podemos entender el impacto histórico de la idea de Kelvin en la física. Kelvin sugirió que la mejor escala de temperatura describiría una capacidad constante de una unidad de temperatura en el entorno para alterar el trabajo disponible de la máquina 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, que proviene del griego "transformación", porque cuantifica la cantidad de energía perdida durante la conversión de calor en trabajo. El trabajo disponible de una máquina de Carnot es máximo cuando el entorno está 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 cuestión de "¿disponible para qué?" y plantea la inquietud de si esa propiedad es antropocéntrica . Las leyes derivadas de esa propiedad pueden no describir el universo, sino lo que la gente desea ver.

El campo de la mecánica estadística (que comenzó con el trabajo de Ludwig Boltzmann al desarrollar la ecuación de Boltzmann ) liberó a muchos físicos de esta preocupación. Gracias a esta disciplina, ahora sabemos que las propiedades macroscópicas pueden determinarse a partir de propiedades a escala microscópica, donde la entropía es más "real" que la temperatura misma ( véase Temperatura termodinámica ). Las fluctuaciones cinéticas microscópicas entre partículas causan pérdida entrópica, y esta energía no está disponible para el trabajo porque estas fluctuaciones ocurren aleatoriamente en todas las direcciones. El acto antropocéntrico se toma, a los ojos de algunos físicos e ingenieros actuales, cuando alguien traza un límite hipotético; de hecho, dice: "Este es mi sistema. Lo que ocurre más allá es el entorno". En este contexto, la exergía a veces se describe como una propiedad antropocéntrica, tanto por algunos que la usan 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 manera distinta a su entorno. Se puede aceptar que la entropía se considera generalmente una propiedad más fundamental de la materia que la exergía.

Un potencial para cada situación termodinámica

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

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

Para un conjunto dado 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 isotérmica del sistema ( ), y se define con respecto a la temperatura isotérmica del entorno del sistema ( ). La exergía es la energía reducida por el producto de la entropía por la temperatura del entorno , que es la pendiente o derivada parcial de la energía interna con respecto a la entropía en el entorno. ^[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 exergía ( irreversibilidad ) y la reducción de estos potenciales termodinámicos. Además, pueden producirse pérdidas de exergía si se transfiere masa y energía fuera del sistema a una temperatura, presión o potencial químico no ambiente o elevados. Sin embargo, las pérdidas de exergía son potencialmente recuperables porque la exergía no se ha destruido, 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 funciona a temperatura ambiente no tendrá pérdidas de exergía relacionadas con la temperatura.

Análisis exergético que implica transferencia de calor radiativo

Toda materia emite radiación de forma continua como resultado de su temperatura (absoluta) distinta de cero. 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 la radiación (mientras refleja una fracción de la radiación de la fuente entrante) emite inherentemente su propia radiación. Además, dado que la radiación reflejada y emitida pueden ocupar la misma dirección o ángulo sólido, los flujos de entropía y, como resultado, los flujos de exergía, generalmente no son independientes. Las ecuaciones de balance de entropía y exergía para un volumen de control (CV), reformuladas para que se apliquen correctamente a situaciones que involucran transferencia radiativa, ^[1]^[2]^[9]^[10] se expresan como,

${\frac {dS_{CV}}{dt}}=\int _{CVboundary}({\frac {q_{cc}}{T_{b}}}+J_{NetRad})dA+\sum _{i}^{m}({{\dot {m}}_{i}}s_{i})-\sum _{o}^{n}({{\dot {m}}_{o}}s_{o})+{\dot {S}}_{gen}$ donde o $Π$ denota la producción de entropía dentro del volumen de control, y, ${S}_{gen}$

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

Esta ecuación de velocidad 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 $M$ para flujos radiativos), por transferencia de trabajo mecánico o eléctrico ( $W$ ), y por transferencia de masa ( $m$ ), así como también tiene en cuenta la destrucción de exergía ( $I$ ) que ocurre dentro del sistema debido a irreversibilidades o procesos no ideales. Nótese que la exergía química, la energía cinética y la energía potencial gravitatoria se han excluido para simplificar.

La irradiancia o flujo exergético M y la radiancia exergética N (donde M = πN para la radiación isótropa) dependen de la distribución espectral y direccional de la radiación (por ejemplo, véase la siguiente sección sobre "Flujo exergético de radiación con un espectro arbitrario"). La luz solar puede aproximarse de forma aproximada como radiación de cuerpo negro o, más exactamente, como radiación de cuerpo gris. Observando que, aunque un espectro de cuerpo gris parece similar a un espectro de cuerpo negro, la entropía y la exergía son muy diferentes, Petela ^[11] determinó que la exergía de la radiación de cuerpo negro isótropo 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 temperatura adimensional To/T.

Sin embargo, durante décadas este resultado fue cuestionado en términos de su relevancia para la conversión de flujos de radiación, y en particular, la radiación solar. Por ejemplo, Bejan ^[12] afirmó que “la eficiencia de Petela no es más que una forma conveniente, aunque artificial, de no dimensionalizar el resultado de trabajo calculado” 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 problemas, incluyendo el de la irreversibilidad inherente, la definición del entorno en términos de radiación, el efecto de la emisión inherente por el dispositivo de conversión y el efecto de la concentración de la radiación de la fuente.

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 en gran medida debido a la reflexión, dispersión y absorción en la atmósfera. Mientras que los espectros de emisión de la radiación térmica en sistemas de ingeniería también pueden variar ampliamente.

Para determinar la exergía de la radiación con un espectro arbitrario, se debe considerar si es posible la conversión reversible o ideal (producción de entropía cero). Se ha demostrado que la conversión reversible de los flujos de radiación de cuerpo negro a través de una diferencia de temperatura infinitesimal es teóricamente posible ^[1]^[2] ]. Sin embargo, esta conversión reversible solo se puede lograr teóricamente porque puede existir equilibrio entre la radiación de cuerpo negro y la materia. ^[2] Sin embargo, la radiación que no es de 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 de otro cuerpo no puede existir en equilibrio con la materia, por lo que parece probable que la interacción de la radiación de otro cuerpo con la materia sea siempre un proceso inherentemente irreversible. Por ejemplo, un sistema de radiación de otro cuerpo cerrado (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 sea perfectamente reflectante (es decir, a menos que no haya interacción térmica de la radiación con su recinto, lo que no es posible en sistemas reales no ideales). En consecuencia, una cavidad inicialmente desprovista de radiación térmica dentro de un material que no es de cuerpo negro se llenará espontáneamente 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 de otro cuerpo.

Los enfoques de Petela ^[11] y Karlsson ^[13] suponen que la conversión reversible de la radiación no proveniente de un cuerpo negro es teóricamente posible, es decir, sin abordar ni considerar el problema. La exergía no es una propiedad del sistema únicamente, es una propiedad tanto del sistema como de su entorno. Por lo tanto, es de importancia clave que la radiación no proveniente de un cuerpo negro no pueda existir en equilibrio con la materia, lo que indica que la interacción de la radiación no proveniente de un 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 no proveniente del cuerpo negro, se da mediante 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 de la temperatura ambiente . Para la radiación de cuerpo gris, el flujo de exergía se expresa mediante 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.

Obsérvese que el flujo de exergía de la radiación de 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, solo se puede convertir en trabajo un máximo del 40 % del flujo de energía del cuerpo gris (ya solo el 50 % del flujo de energía del cuerpo negro con la misma temperatura de emisión). La radiación de cuerpo gris tiene un espectro que parece similar al espectro del cuerpo negro, pero el flujo de entropía y exergía no se puede aproximar con precisión como el de la radiación de cuerpo negro con la misma temperatura de emisión. Sin embargo, se puede aproximar razonablemente mediante el flujo de entropía de la radiación de cuerpo negro con el mismo flujo de energía (temperatura de emisión más baja). $(M/H)$ $\epsilon =0.50$ $T=500^{o}C$ $T_{o}=27^{o}C(x=0.388)$

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 de cuerpo gris es menor que el de la radiación de cuerpo negro con la misma temperatura de emisión y disminuye a medida que disminuye la emisividad. Para el ejemplo anterior con el flujo de exergía de la fuente de radiación de cuerpo negro, el flujo es el 52,5 % del flujo de energía en comparación con el 40,0 % para la radiación de cuerpo gris con , o en comparación con el 15,5 % para la radiación de 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 energía necesaria para los procesos de 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 (directa o indirectamente). Esto se produce principalmente con la excepción de las centrales eléctricas de fisión nuclear y la energía geotérmica (debida a la desintegración natural por fisión). La energía solar es, en su mayor parte, radiación térmica del Sol con una temperatura de emisión cercana a los 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 de la Tierra es de origen nuclear.

La figura siguiente muestra los 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 a nivel del mar (espectro solar terrestre) depende de una serie de factores, entre ellos la posición del Sol en el cielo, la turbidez atmosférica, el nivel de contaminación atmosférica local y la cantidad y el tipo de nubosidad. Estos espectros corresponden a un aire relativamente despejado (α = 1,3, β = 0,04) suponiendo una atmósfera estándar estadounidense con 20 mm de vapor de agua precipitable y 3,4 mm de ozono. La figura muestra la irradiancia energética espectral (W/m2μm), que no proporciona información sobre la distribución direccional de la radiación solar. El contenido exergético de la radiación solar, asumiendo que está subtendido por el ángulo sólido de la bola del Sol (no circunsolar), es 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 al componente difuso causado por la compleja interacción de la radiación solar, originalmente en un haz de ángulo sólido muy pequeño, con el material en la atmósfera de la Tierra. Las características y la magnitud de la radiación solar terrestre difusa dependen de una serie de factores, como se mencionó, incluida la posición del Sol en el cielo, la turbidez atmosférica, el nivel de contaminación atmosférica local y la cantidad y el tipo de cobertura de nubes. La radiación solar en condiciones de cielo despejado exhibe una intensidad máxima hacia el Sol (radiación circunsolar) pero también exhibe un aumento en la intensidad hacia el horizonte (iluminación del horizonte). En contraste, para cielos nublados opacos, la radiación solar puede ser completamente difusa con una intensidad máxima en la dirección del cenit y decreciendo monótonamente hacia el horizonte. La magnitud del componente difuso generalmente varía con la frecuencia, siendo más alta 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 e isotrópico en un ángulo sólido 0,008 sr (este campo de visión incluye la radiación circunsolar), mientras que el 10% restante de 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 e isotrópica en un ángulo sólido 0,008 sr, mientras que el 15% restante de la radiación solar es difusa e isotrópica en el ángulo sólido 2π sr. Nótese que cuando el Sol está bajo en el cielo, el componente difuso 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 el espectro AM1 y AM4 ^[3] representados son 80,8% y 74,0%, respectivamente. A partir de estos cálculos de muestra, es evidente 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 uno podría esperar que el rendimiento de un dispositivo de conversión dependiera de la tasa de entrada de fotones 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 cierta distribución espectral, la entropía (nivel de desorden) es mayor cuanto más difusa sea la distribución direccional. A partir de la segunda ley de la termodinámica, la entropía entrante de la radiación solar no se puede destruir y, en consecuencia, reduce la salida de trabajo máxima que se puede obtener por un dispositivo de conversión.

Exergía química

De manera similar a la exergía termomecánica, la exergía química depende de la temperatura y la presión de un sistema, así como de su composición. La diferencia clave entre la evaluación de la exergía química y la exergía termomecánica es que la exergía termomecánica no tiene en cuenta la diferencia entre un sistema y la composición química del entorno. Si la temperatura, la presión o la composición de un sistema difieren del estado del entorno, entonces el sistema en su conjunto tendrá exergía. ^[14]

La definición de exergía química se asemeja 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 se pone en reacción con sustancias de referencia presentes en el ambiente. ^[15] Definir el ambiente 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 consta 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 de utilidad al aplicar la ecuación 8 a continuación.

C _a H _b O _c es la sustancia que está entrando en un sistema del que se quiere encontrar el trabajo teórico máximo. Al utilizar las siguientes ecuaciones, se puede calcular la exergía química de la sustancia en un sistema dado. A continuación, la ecuación 9 utiliza la función de Gibbs del elemento o compuesto aplicable para calcular la exergía química. La ecuación 10 es similar pero utiliza la exergía química molar estándar, que los científicos han determinado en función de varios criterios, incluida la temperatura y la presión ambientales en las que se está analizando 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 . ( se refiere a la sustancia que ingresa al sistema) $\left(T_{0},p_{0}\right)$ ${\bar {g}}_{F}$

${\bar {R}}$ es la constante universal de los gases (8,314462 J/mol•K) ^[18]
$T_{0}$ es la temperatura a la que se está evaluando 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 está la exergía química molar estándar tomada de una tabla para las condiciones específicas en las que se está evaluando el sistema? ${\bar {e}}_{x}^{ch}$

La ecuación 10 se utiliza con más frecuencia debido a la simplicidad de solo tener que buscar la exergía química estándar para determinadas sustancias. El uso de una tabla estándar funciona bien en la mayoría de los casos, incluso si las condiciones ambientales varían ligeramente, la diferencia es muy probablemente insignificante.

Exergía total

Después de hallar la exergía química en un sistema determinado, se puede hallar la exergía total sumándola a la exergía termomecánica. Según 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 hallar 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. Esto también se denomina 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 denotado 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 esto implica destrucción de entropía, una violación directa de la segunda ley de la termodinámica. $S_{\text{gen}}$ $I>0$ $I=0$

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

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

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

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

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

Aplicaciones

Aplicando la ecuación ( 1 ) a un subsistema se obtiene:

Esta expresión se aplica igualmente bien a ideales teóricos en una amplia variedad de aplicaciones: electrólisis (disminución de G ), celdas 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 requiere a menudo una consideración cuidadosa de la elección del entorno de referencia porque, como sabía Carnot, no existen reservas ilimitadas en el mundo real. Un sistema puede mantenerse a una temperatura constante para simular una reserva ilimitada 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 una reserva constante razonable. A veces es necesario comparar un proceso con "la imposibilidad más realista", y esto implica invariablemente una cierta cantidad de conjeturas. ^{[ cita requerida ]}

Aplicaciones de ingeniería

Un objetivo de los métodos de energía y exergía en ingeniería es calcular lo que entra y sale de varios diseños posibles antes de construir uno. La entrada y la salida de energía siempre se equilibrarán de acuerdo con la Primera Ley de la Termodinámica o el principio de conservación de la energía. La salida de exergía no será igual a la entrada de exergía para procesos reales, ya que una parte de la entrada de exergía siempre se destruye de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica para procesos reales. Después de calcular la entrada y la salida, un ingeniero a menudo querrá seleccionar el proceso más eficiente. Una eficiencia energética o eficiencia de primera ley determinará el proceso más eficiente en función de desperdiciar la menor cantidad de energía posible en relación con las entradas de energía. Una eficiencia exergía o eficiencia de segunda ley determinará el proceso más eficiente en función de desperdiciar y destruir la menor cantidad de trabajo disponible posible a partir de una entrada dada de trabajo disponible, por unidad de lo que sea la salida deseada.

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

La exergía es particularmente útil para análisis de ingeniería amplios con muchos sistemas de naturaleza variada, ya que puede dar cuenta de sistemas mecánicos, eléctricos, nucleares, químicos o térmicos. Por esta razón, el análisis exergético también se ha utilizado para optimizar el rendimiento de los vehículos cohete. ^[21] El análisis exergético 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 exergético se ha utilizado para comparar posibles sistemas de generación y almacenamiento de energía en la luna, ya que el análisis exergético se realiza en referencia a las condiciones operativas ambientales únicas de una aplicación específica, como en la superficie de la luna. ^[22]

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

Como ejemplo simple de exergía, el aire en condiciones atmosféricas de temperatura, presión y composición contiene energía pero no exergía cuando se lo elige como el estado de referencia termodinámico conocido como ambiente . Los procesos individuales en la Tierra, como la combustión en una planta de energía, a menudo resultan en productos que se incorporan a la atmósfera, por lo que definir este estado de referencia para la exergía es útil aunque la atmósfera en sí no esté en equilibrio y esté 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 muy caluroso, entonces ciertas partes de una planta química podrían parecer tener una eficiencia energética superior al 100%. Sin tener en cuenta la variación no estándar de la temperatura atmosférica, estos cálculos pueden dar la impresión de ser una máquina de movimiento perpetuo. El uso de condiciones reales dará valores reales, pero las condiciones ambientales estándar son útiles para los cálculos iniciales de diseño.

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 energética . Definir dónde termina un campo y comienza el siguiente es una cuestión de semántica, pero las aplicaciones de la exergía se pueden colocar en categorías rígidas. Después del trabajo fundamental de Jan Szargut que enfatizó la relación entre exergía y disponibilidad, ^[23] es necesario recordar "Exergy Ecology and Democracy". ^[24] de Goran Wall, un ensayo corto, que evidencia la estricta relación que relaciona la disrupción exergética con la disrupción ambiental y social. De esta actividad se ha derivado una actividad de investigación fundamental en economía ecológica y contabilidad ambiental realizar análisis de costo exergético para evaluar el impacto de la actividad humana en el medio ambiente natural actual y futuro . Al igual que con el aire ambiente, esto a menudo requiere la sustitución poco realista de propiedades de un entorno natural en lugar del entorno del estado 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 para la actividad humana que utilizan 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 ?

Se han producido 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 los recursos naturales, el proceso de cuantificación de un sistema requiere la asignación de valor (tanto utilizado como potencial) a los recursos que no siempre se pueden analizar fácilmente en términos típicos de costo-beneficio. Sin embargo, para aprovechar plenamente el potencial de un sistema para realizar trabajo, cada vez es más imperativo comprender el potencial exergético de los recursos naturales, ^[26] y cómo la interferencia humana altera este potencial.

La referencia a las cualidades inherentes de un sistema en lugar de un entorno de estado de referencia ^[25] es la forma más directa en que los ecólogos 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 entorno 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 en 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 de referencia 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 obtener el recurso y procesarlo. ^[25]

Hoy en día, se está volviendo cada vez más popular analizar los impactos ambientales de la utilización de recursos naturales, especialmente para el uso de energía. ^[29] Para comprender las ramificaciones de estas prácticas, se utiliza la exergía como una herramienta para determinar el potencial de impacto de las emisiones , 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 ambiental 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 un pequeño número de entradas de exergía (generalmente radiación solar , fuerzas de marea y calor geotérmico ). Esta aplicación no solo requiere suposiciones sobre estados de referencia, sino 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 solo estamos especulando sobre la realidad?

Por ejemplo, para comparar la exergía del petróleo con la del carbón utilizando un estado de referencia común, se necesitarían datos de exergía geotérmica para describir la transición de material biológico a combustibles fósiles durante millones de años en la corteza terrestre, y datos de exergía de radiación solar para describir la historia del material antes de esa época, cuando era parte de la biosfera. Esto tendría que llevarse a cabo matemáticamente hacia atrás en el tiempo, hasta una era presunta en la que se podría suponer que el petróleo y el carbón recibían los mismos datos de exergía de estas fuentes. Una especulación sobre un entorno pasado es diferente a asignar un estado de referencia con respecto a los entornos conocidos en la actualidad. 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 "joule incorporado" o "emjoule".

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

¿La producción humana de un bien económico agota la exergía de los recursos naturales de la Tierra más rápidamente de lo que dichos recursos son capaces de 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 energética y medioambiental

En la actualidad, las políticas ambientales no consideran la exergía como un instrumento para una política ambiental más justa y efectiva. Recientemente, el análisis exergético permitió obtener una falla importante en los balances de emisiones de GEI gubernamentales actuales , que a menudo no consideran las emisiones relacionadas con el transporte internacional, por lo que no se contabilizan los impactos de las importaciones y exportaciones ^{[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 basada en la exergía efectiva que pueda reducir el impacto fiscal en los ciudadanos. Además, la exergía puede ser un instrumento valioso para una estimación efectiva del camino hacia los objetivos de desarrollo sostenible ( ODS ) de la ONU. ^[31]

Asignación de 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 la entrada de exergía única de la radiación solar, y expresar la entrada total de exergía en un bien económico como un julio solar incorporado o sej . ( Ver Emergy ) Las entradas de exergía de las fuerzas solares, de mareas y geotérmicas, todas a la vez, tuvieron su origen en el comienzo del sistema solar bajo condiciones que podrían elegirse como un estado de referencia inicial, y otros estados de referencia especulativos podrían, en teoría, remontarse a ese momento. Con esta herramienta podríamos responder:

¿Qué fracción del agotamiento total de la energía exergética de la Tierra debido a la actividad humana es causada por la producción de un bien económico particular?

¿Qué fracción del agotamiento total, humano y no humano, de la energía de la Tierra es causado 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, jerga desconocida que contradice la jerga aceptada, intensa defensa entre sus partidarios y cierto grado de aislamiento de otras disciplinas han contribuido a que muchos consideren a esta protociencia como una pseudociencia . Sin embargo, sus principios básicos son solo una utilización más del concepto de exergía.

Implicaciones en el desarrollo de sistemas físicos complejos

Una hipótesis común en la 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 una 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 que da como resultado energía incorporada . La analogía de la inversión de capital que da como resultado una fábrica con alta eficiencia exergética es un aumento en las estructuras organizacionales naturales con alta eficiencia exergética. ( Ver Potencia máxima ). Los investigadores en estos campos describen la evolución biológica en términos de aumentos en la complejidad de los organismos debido al requisito 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 . Por supuesto, un número excesivamente grande de compartimentos intermedios implica un costo de capital que puede ser demasiado alto.

Probar esta idea en organismos vivos o ecosistemas es imposible a todos los efectos prácticos debido a las grandes escalas de tiempo y a las pequeñas entradas de energía que se requieren para que se produzcan los cambios. Sin embargo, si esta idea es correcta, no sería una nueva ley fundamental de la naturaleza. Se trataría simplemente de sistemas vivos y ecosistemas que maximizarían su eficiencia energética 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 a términos como calidad y valor . El movimiento de la " ecología profunda " considera que el uso económico de estos términos es una filosofía antropocéntrica que debería descartarse. Un posible concepto termodinámico universal de valor o utilidad resulta atractivo para quienes tienen interés en el monismo .

Para algunos, el resultado de esta línea de pensamiento sobre el rastreo de la exergía hacia el pasado profundo es una reafirmación del argumento cosmológico de que el universo estuvo una vez en equilibrio y que un aporte 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 ( véase 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 la exergía y la energía de una sustancia puede considerarse una medida de la calidad energética . Las formas de energía como la energía cinética macroscópica, la energía eléctrica y la energía libre de Gibbs química son 100% recuperables como trabajo y, por lo tanto, tienen una exergía igual a su energía. Sin embargo, las 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 circundante, según lo determina 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 de la segunda ley, es una relación entre la salida de exergía dividida por la entrada de exergía. Esta formulación tiene en cuenta la calidad de la energía y, a menudo, ofrece un análisis más preciso y útil que las estimaciones de eficiencia que utilizan únicamente la primera ley de la termodinámica .

También se puede extraer trabajo de cuerpos más fríos que los que los rodean. Cuando el flujo de energía llega al cuerpo, el trabajo se realiza mediante esta energía obtenida del gran depósito que es el entorno. Un tratamiento cuantitativo de la noción de calidad de la energía se basa en la definición de energía. Según la definición estándar, la energía es una medida de la capacidad para realizar trabajo. El trabajo puede implicar el movimiento de una masa por 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 trabajo y aplicar una fuerza a lo largo de una distancia.

Exergía de calor disponible a una temperatura

La máxima conversión posible de calor en trabajo, o el contenido de exergía del calor, depende de la temperatura a la que se dispone de calor y del nivel de temperatura al que se puede eliminar el calor residual, 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 en términos absolutos . De la ecuación 15 se desprende claramente que para maximizar la eficiencia se debe maximizar T _H y minimizar T _C.

La exergía intercambiada es entonces:

donde T _fuente es la temperatura de la fuente de calor, y T _o es la temperatura del entorno.

Conexión con el valor económico

La exergía, en cierto sentido, 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 un mayor valor económico. Esto se puede ver 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 exergía. Por lo tanto, el alto contenido de exergía se está sustituyendo por inversiones de capital. ^[32]

Análisis del ciclo de vida basado en la exergía (LCA)

La exergía de un sistema es el trabajo útil máximo posible durante un proceso que lleva al sistema al equilibrio con un depósito de calor. ^[33]^[34] Wall ^[35] establece claramente la relación entre el análisis exergético 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 insumo de material por unidad de servicio (MIPS) se cuantifica en términos de la segunda ley de la termodinámica, lo que permite el cálculo tanto del insumo de recursos como de la salida de servicios en términos exergéticos. Este insumo de material exergético por unidad de servicio (EMIPS) se ha elaborado para la tecnología de transporte. El servicio no solo 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 exergético según EMIPS permitió definir una estrategia precisa para reducir los impactos ambientales del transporte hacia un transporte más sostenible . ^[41] Tal estrategia requiere la reducción del peso de los vehículos, estilos de conducción sostenibles, reducción de la fricción de los neumáticos, fomento de los vehículos eléctricos e híbridos, ^[42] mejora del entorno para caminar y andar en bicicleta en las ciudades y potenciando el papel del transporte público, especialmente el ferrocarril eléctrico . ^[43]

Historia

Carnot

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

Se ha planteado a menudo 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 permita sobrepasar por ningún medio... Para considerar de la manera más general el principio de la producción de movimiento por el calor, es necesario 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 más alta que la de B. Estos dos cuerpos, a los que podemos dar o de los que podemos quitar el calor sin hacer variar sus temperaturas, ejercen las funciones de dos depósitos ilimitados... ^[4]

Carnot describió a continuación lo que hoy se denomina máquina de Carnot y demostró mediante un experimento mental que cualquier máquina térmica que funcionara mejor que esta máquina sería una máquina de movimiento perpetuo . Incluso en la década de 1820, existía una larga historia de prohibición científica de tales dispositivos. Según Carnot, "una creación de este tipo es totalmente 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 para el trabajo que puede realizar un motor fue la primera formulación moderna de la segunda ley de la termodinámica . Debido a que no implica matemáticas, todavía sirve a menudo como punto de partida para una comprensión moderna tanto de la segunda ley como de la entropía . El enfoque de Carnot en los motores térmicos , el equilibrio y los depósitos de calor es también el mejor punto de partida para comprender el concepto estrechamente relacionado de exergía.

Carnot creía en la incorrecta teoría calórica del calor que era popular durante su tiempo, pero su experimento mental describió, 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 ley 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 más universalmente aplicables en física . La entropía y la segunda ley se aplican hoy en día 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 un potencial químico para provocar un cambio cuando se está lejos de un equilibrio químico en el trabajo anterior iniciado por Carnot para describir el equilibrio térmico y mecánico y sus potenciales de cambio. La teoría unificadora de Gibbs dio como resultado las funciones de estado potenciales termodinámicos que describen las 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] (Véanse las ecuaciones anteriores). La física que describe la exergía ha cambiado poco desde entonces.

Helmholtz

En la década de 1880, el científico alemán Hermann von Helmholtz derivó la ecuación para el trabajo máximo que se puede obtener de forma reversible a partir 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 exergético ha dado lugar a muchas aplicaciones en termodinámica, y la exergía ha sido aceptada como el máximo trabajo útil teórico que se puede obtener de un sistema con respecto a su entorno. ^[44]

Véase también

Notas

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Referencias

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Lectura adicional

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Enlaces externos

Energía, Incorporación de Exergía, Revista Internacional
Bibliografía comentada sobre exergía y disponibilidad
Exergía: un concepto útil de Göran Wall
Manual de exergética para autoaprendizaje de Göran Wall
Exergía de Isidoro Martínez
Calculadora de exergía del portal de exergoecología
Cuadro de recursos energéticos globales
Guía del Anexo 37 del ECBCS de la IEA, Sistemas de baja exergía para calefacción y refrigeración de edificios
Introducción al concepto de exergía