LA EXERGÍA TERMODINÁMICA

Introducción 

La importancia del desarrollo de los sistemas térmicos que utilicen eficazmente los recursos energéticos, como el petróleo, la gasolina, el gas natural y el carbón, ha cobrado gran importancia, tanto por las razones de disminución de recursos, al ser los principales combustibles de fuentes no renovables, como sobre del impacto que se causan sobre el medio ambiente al utilizarlos. La eficacia de su uso, en un sistema específico, se determina con los dos principios fundamentales de la Termodinámica. 

La energía que entra en un sistema con el combustible, electricidad flujos de materia, y otros, está presente en los productos finales que produce el sistema y por cada subproducto que genera dicho sistema ya que la energía no se destruye, conforme al primer principio de la Termodinámica. 

Actualmente existe un gran interés para analizar de forma más cerrada los dispositivos de conversión de energía para desarrollar nuevas técnicas que empleen mejor los recursos naturales actuales y mitiguen el impacto sobre el medio ambiente que ocasiona su uso. 

El objetivo de este módulo es examinar el desempeño de dispositivos técnicos conforme a las dos leyes fundamentales de la Termodinámica, introduciendo el concepto de exergía o trabajo útil máximo que puede obtenerse, conforme a la reversibilidad de los procesos y la forma en que las irreversibilidades destruyen dicha exergía.

Como es sabido, existen diversas formas de energía, cada una de ellas con características peculiares. En las aplicaciones técnicas de la energía es frecuente limitarse a la realización de balances energéticos, basados en el empleo del Primer Principio de la Termodinámica, considerando como equivalentes todas las formas de energía. Ahora bien, la capacidad de obtención de trabajo útil a partir de una misma cantidad de energía depende en la forma en que ésta se presente. 

Aparece así la idea de calidad de la energía, que puede definirse como la capacidad de originar una transformación. Consideremos, por ejemplo, la capacidad de producción de un cierto efecto (calentar un local, comprimir un gas, hacer progresar una reacción endotérmica, ...) con una cantidad dada de energía. Con 100 J de energía calorífica disponible a 1000 k se puede producir un efecto menor que con 100 J de energía eléctrica. Si el ambiente se encuentra, por ejemplo, a 300 k, el efecto posible con 100 J disponibles a 400 k es mucho menor que a 1000 k.

Cuando se analiza termodinámicamente un proceso, es indispensable tener en consideración las diferencias en la calidad de la energía. Esta característica depende del modo en que se almacena la forma de energía considerada. El almacenamiento puede ser ordenado o desordenado (aleatorio) en mayor o menor grado. Dado que la entropía refleja el desorden de un sistema, es de esperar que sirva también para determinar la medida en que se presenta una forma de energía ordenada y por lo tanto evalué la cantidad de energía utilizable que se puede obtener. Precisamente es éste el campo de acción del Segundo Principio de la Termodinámica. 

La exergía es un parámetro que mide la calidad de la energía. Este parámetro puede emplearse para analizar la eficiencia energética de los procesos industriales. Con un análisis de exergía pueden compararse diferentes alternativas para comprobar cuál tiene el mayor rendimiento energético. Sin embargo, debe quedar lo suficientemente claro que dichos análisis no proporcionan soluciones por sí mismos. 

Con lo que podemos concluir que la exergía es el máximo trabajo útil que podemos obtener de un flujo de energía dado, en cualquiera de sus formas que sea almacenado o transferido; pero también lo podemos ver como la mínima energía necesaria que se requiera para obtener un producto final.

Primera y Segunda Ley Combinadas

Considerando el caso genérico de un volumen de control en el que se producen cualquier tipo de procesos físicos o químicos (sin considerar los nucleares), en el que existen varios flujos de materia entrando y saliendo del sistema, transferencia de calor con varios reservorios a diferentes temperaturas y una producción de un trabajo útil. Considerando que en el intervalo tiempo elemental dt entra al sistema la masa dme por la entrada genérica e y sale la masa dms por la salida genérica s, entra el calor dQ a la temperatura genérica T y se el trabajo útil dWu. 

El diagrama de energías del volumen de control se presenta en la Figura 1, en donde quedan representados todos los flujos de masa y energía conforme a la descripción del párrafo anterior.

Para nuestro caso, como sucede en la gran mayoría de los procesos reales de ingeniería, despreciemos la energía cinética y potencial de las corrientes de materias entrantes y salientes y consideramos estado estacionario.  

El primer balance que formulamos es el de masa, de acuerdo con el principio de conservación de masa, que al considerar estado estacionario no existe acumulación de masa en el sistema.

En donde he y hs corresponden a las entalpías específicas de cada flujo de entrada y salida respectivamente. 

El balance de Segunda Ley o balance entrópico queda como:

Si definimos como el Ambiente Estable de Referencia (AER) las condiciones de T=T0 y P=P0, podemos ver de la ecuación anterior que los dos primeros términos de la derecha corresponden a la diferencia de exergías de los flujos de masa, el siguiente es la sumatoria de las exergías asociadas a los flujos calor y el último término es la destrucción de exergía. 

Por lo que el balance de exergía queda expresado como:

1 Considerando el subíndice 0 el flujo de energía o materia que conecta con el medio de referencia

Con este juego de ecuaciones de balance, masa, energía y exergía, queda definido termodinámicamente cualquier proceso, evaluando no solamente las características energéticas, si no también la operación del sistema cuantificando las irreversibilidades internas de operación y las externas. 

Una de las grandes utilidades que nos brinda el análisis exergético es poder evaluar la capacidad de producir trabajo que se pierde en cada proceso dentro de una planta de fuerza o cualquier otro proceso y con esta visión definir en que partes es más conveniente actuar de una manera priorizada para ir corrigiendo los incrementos de irreversibilidades que se presentan durante la operación de la planta. 

Como conclusión de este análisis es que el análisis de exergía es equivalente a realizar los análisis de primera y segunda ley de una manera conjunta.

Energía y Exergía 

Los diferentes tipos de energía presentan también diferentes calidades, entendiendo por calidad la cantidad de trabajo útil que se puede obtener. Estas diferencias radican en la posibilidad de producir trabajo o de transformar un tipo de energía en otro. Por ejemplo, la calidad de un flujo de calor depende de la temperatura a la que está la fuente de donde sale; a mayor temperatura, una fuente de calor puede transferir su energía con más posibilidades que a menor temperatura2 . 

La energía ordenada (o de alta calidad) puede presentarse de las formas siguientes: 

(A) Energía potencial, tal como la almacenada en un campo gravitatorio, eléctrico o magnético, o en la deformación de un muelle perfectamente elástico, etc. 

(B) Energía cinética no aleatoria, como la almacenada en un volante en rotación, o en un chorro no turbulento de un fluido ideal.

2 El mar es una inmensa fuente de energía (sólo hay que calcular la entalpía del agua salada, y multiplicarla por toda la masa del mar), pero como su temperatura es similar a la del medio que la rodea, no puede transferir toda esta energía en forma de calor.

Con este juego de ecuaciones de balance, masa, energía y exergía, queda definido termodinámicamente cualquier proceso, evaluando no solamente las características energéticas, si no también la operación del sistema cuantificando las irreversibilidades internas de operación y las externas. 

Una de las grandes utilidades que nos brinda el análisis exergético es poder evaluar la capacidad de producir trabajo que se pierde en cada proceso dentro de una planta de fuerza o cualquier otro proceso y con esta visión definir en que partes es más conveniente actuar de una manera priorizada para ir corrigiendo los incrementos de irreversibilidades que se presentan durante la operación de la planta. 

Como conclusión de este análisis es que el análisis de exergía es equivalente a realizar los análisis de primera y segunda ley de una manera conjunta.

Pasemos ahora a la energía desordenada. Pertenece a esta clase la energía interna, tanto de naturaleza física como química, asociada con movimientos aleatorios de átomos o moléculas.

Las consideraciones anteriores ponen de manifiesto las siguientes peculiaridades de los procesos que pretenden obtener la conversión más eficaz de energía desordenada en energía ordenada:

• Los procesos han de ser reversibles. 
• La eficacia de la conversión depende de las propiedades termodinámicas del sistema y del ambiente. 
• Hay que aplicar el Segundo Principio en el análisis. 
• El proceso origina, en general, cambios entrópicos en los sistemas que intervienen.

Vemos, por tanto, que la calidad (o capacidad de producir un efecto útil) de las formas desordenadas de energía depende de la entropía, del tipo de energía y de las funciones termodinámicas del sistema y del ambiente; las formas ordenadas, por el contrario, no dependen de la entropía, tienen una calidad máxima e invariable y son totalmente convertibles en otras formas de energía. 

En general, se acepta como medida de la calidad de la energía, su capacidad para producir trabajo. El problema con esta definición es elegir el nivel de referencia adecuado. Hay que tener en cuenta, que para que una máquina térmica realice trabajo, debe tomar calor desde una fuente a alta temperatura, y ceder parte de ese calor a un sumidero a baja temperatura3 . 

Si la temperatura (fría) del sumidero es muy alta, muy pocas fuentes tendrán la temperatura necesaria como para que una máquina térmica puede transformar el calor de esta fuente en trabajo. Por tanto el nivel de referencia (es decir, el valor de la temperatura fría) es muy importante a la hora de definir la exergía. Como es habitual que las máquinas térmicas trabajen con el medio que las rodea como foco frío, se suele tomar el nivel de referencia en la temperatura ambiente.

Por tanto, a la hora de calcular la exergía es necesario especificar cuál es el entorno en el que trabaja la máquina térmica. Debido a la falta de un equilibrio termodinámico en la naturaleza, no se puede especificar completamente cuál es el estado de referencia (debido a que, como ya se ha dicho, las condiciones del medio son cambiantes). Normalmente, es suficiente con definir el estado de equilibrio mediante la temperatura. 

La capacidad de un medio energético para realizar trabajo expresa su potencial para transformarse en otros tipos de energía, y por tanto la exergía puede aplicarse al estudio de procesos tecnológicos como son plantas de energía, ciclos termodinámicos, máquinas, etc. 

A diferencia de la energía, no existe una ley de conservación para la exergía. Cualquier fenómeno irreversible causa una pérdida de exergía, lo que significa una reducción del potencial de los efectos útiles de la energía, o por el contrario a un aumento del consumo de energía proporcionado por el reservorio o foco caliente, para lograr una generación de trabajo igual. 

Si excluimos los efectos nucleares, magnéticos y eléctricos, la exergía, B, de una sustancia se puede dividir en cuatro componentes: exergía cinética Bk, exergía potencial Bp, exergía física Bf y exergía química B0. La exergía cinética es igual a la energía cinética cuando la velocidad tiene como nivel de referencia la superficie de la Tierra. Lo mismo ocurre con la exergía potencial. En la Figura 4.3 se muestran los diferentes tipos de exergía.

3 Según el Segundo Principio de la Termodinámica

La exergía física es el trabajo que se puede obtener sometiendo a la sustancia a procesos físicos4 reversibles desde la temperatura y presión iniciales, hasta el estado determinado por la presión y la temperatura del entorno. 

La exergía química es el trabajo que se puede obtener de una sustancia que se encuentra a la presión y temperatura del entorno, si alcanza un estado de equilibrio termodinámico mediante reacciones químicas. 

En ocasiones, a la suma de la exergía física y química se le denomina exergía térmica, Bt.

Ambiente y estado muerto 

Para el análisis exergetico hay que referirse constantemente a un ambiente estable de referencia (AER), que se supone en un estado de equilibrio termodinámico completo. Si alguna propiedad intensiva de un sistema (presión, temperatura, potencial químico, etc.) difiere de la correspondiente del ambiente, existe una posibilidad de realización de un trabajo. El ambiente proporciona, por tanto, un nivel de referencia natural para la determinación de la energía utilizable.

4 Entendiendo por tal aquél dónde no hay cambio en la composición de la sustancia.

El ambiente puede actuar sobre un sistema de las tres formas siguientes: 

a) Transferencia de calor, como manantial a la temperatura To . Dada la enorme capacidad calorífica del ambiente, los intercambios de calor afectarán despreciablemente a su temperatura. 

b) Intercambio de trabajo de expansión o compresión, como almacén de energía utilizable. Se produce sólo cuando el sistema experimenta un cambio de volumen. Cuando éste cambia en ∆V cuasi-estáticamente, el sistema realiza un trabajo po ∆V sobre el ambiente. Está claro que este trabajo no es útil, aunque puede ser recuperado si el sistema vuelve cuasiestáticamente al volumen inicial. 

c) Intercambio de materia, como depósito de sustancias de trabajo potencial químico, en equilibrio estable. Puede producirse en sistemas abiertos. 

A consecuencia de estas interacciones, el ambiente determina los niveles de temperatura, presión y potenciales químicos que han de tomarse como referencia para los cálculos de energía utilizable. Cuando el sistema llega al equilibrio termodinámico completo con el ambiente, se dice que se encuentra en el estado muerto. En dicho estado, la presión, la temperatura y los potenciales químicos del sistema son iguales a los del ambiente. 

En aplicaciones éste se produce cuando existe una pared física que impide el intercambio de material entre sistema y ambiente. Lo designaremos estado ambiental. 

• Exergía de un flujo de materia. 

Consideremos en primer lugar un proceso de flujo de materia en forma de corriente de un fluido cualquiera en régimen estacionario. Se trata de investigar el trabajo útil máximo que puede obtenerse al llevar dicha corriente desde un estado inicial genérico, en el que se encuentra, hasta el estado muerto, con la sola intervención de la corriente y la del ambiente. 

La energía mecánica obtenida por unidad de masa que circula entre el estado inicial genérico y el estado muerto verifica.

en donde wu representa el trabajo útil, c la velocidad que lleva el fluido y z la altura o cota. Hay que recordar que tanto la energía cinética ½ c2 como la potencial gz son transformables íntegramente en trabajo útil con los dispositivos adecuados.

Al aplicar el Primer Principio resulta:

Este resultado expresa que la energía mecánica máxima que puede obtenerse al llevar la corriente del fluido desde un estado genérico hasta el estado muerto, denominada exergía, es igual a la disminución de la función de Darrieus.

• Exergía de un flujo de calor 

Pasemos ahora a un proceso de flujo de calor. Si un reservorio a la temperatura T cede un calor q, se trata de investigar el trabajo útil máximo que puede obtenerse con la sola intervención del reservorio y del ambiente, reservorio a T0. De acuerdo con el Segundo Principio el rendimiento máximo de dicha conversión energética es 1 – To /T, luego la cantidad de calor q posee la exergía bq siguiente:

• Exergía química 

Consideremos un proceso en el cual tiene lugar una reacción química, es decir, un proceso en el cual un flujo de reactivos R en unas condiciones de temperatura y presión To y Po , sufre una reacción química para transformarse en un flujo de producto P a las mismas To y Po , según se ilustra en la Figura 4.5.

Suponiendo que el reactor es el espacio en donde se realiza esta reacción y opera reversiblemente, deseamos conocer el valor del trabajo máximo utilizable wu, que coincidirá con la exergía asociada a ese cambio químico. 

En este sistema conforme a la Primera Ley:

Como el proceso en el reactor se realiza reversiblemente, tenemos conforme a la Segunda Ley:

En donde los subíndices R y P se refieren a las propiedades de los reactivos y productos respectivamente. 

Combinando ambas ecuaciones nos queda:

y la sustituimos en nuestra ecuación de trabajo útil se convierte en:

con sólo tomar como temperatura T la del AER, To. 

Vemos, por tanto, que en un proceso con reacción química, el trabajo útil máximo que puede obtenerse coincide con la disminución de energía libre de Gibbs que tiene lugar en el mismo. 

En un proceso de flujo de materia, puede llegarse al estado ambiental (To, po) en estado metastable. Mediante un proceso químico, como el acabado de escribir, podría llevarse la materia a su estado de equilibrio, que sería el estado muerto. El cálculo de exergías en general se apoya en este hecho, distinguiendo la exergía física y la química.

Cambios de exergía térmica entre dos estados 

La diferencia de la exergía térmica de dos estados puede calcularse a partir del modelo mostrado en la Figura 4.6.

La fuente de energía con entalpía H1 y entropía S1 entra en la máquina reversible. Después de someterse a cambios físicos y/o químicos, el efluente tiene una entalpía H2 y una entropía S2. Sólo vamos a considerar la exergía térmica; por tanto, suponemos que las velocidades de los dos efluentes son similares, e igual pasa con la altura, por lo que los cambios de energía cinética y potencial son despreciables. 

La máquina puede intercambiar calor con su entorno, de manera reversible. El máximo trabajo que puede realizar esta máquina viene dado por la diferencia entre la exergía de la corriente de entrada y la exergía de la corriente de salida. Esta diferencia vendrá dada por:

Si consideramos que en el proceso no hay variación de masa, la masa del flujo entrante es igual a la que sale, podemos trabajarla con las propiedades específicas con lo que se tiene que:

Si durante el proceso no existen reacciones químicas y no existe ningún cambio en la composición molar de la sustancia, la exergía química no interviene y se anula al ser igual en ambos estados. 

El cambio de estado de la corriente que atraviesa la máquina puede representarse de varias formas. Una de ellas es la mostrada en la Figura 4.7. El proceso que origina el cambio de estado 1→ B es isentrópico, y conduce a la sustancia hasta la temperatura del entorno. El proceso C→2 es también isentrópico, y conduce a la sustancia hasta la temperatura de la corriente de salida. El proceso B→C es isotérmico, y lleva a cabo la transferencia de calor reversible con el entorno. El punto A, que se encuentra sobre la misma isentálpica que el punto 2 y permite calcular la entalpía de la corriente de salida, y por tanto la diferencia de entalpía entre la entrada y la salida, H1 – H2.

En el caso de gases ideales, y suponiendo que su calor específico es constante, podemos desarrollar la siguiente ecuación, utilizando las relaciones termodinámicas vistas anteriormente para el cambio de entalpía y de entropía.

Ejercicio 1. 

¿La exergía física específica consta de dos términos: uno que depende de la temperatura y otro que depende de la presión. 

Graficando esta ecuación en coordenadas adimensionales nos queda tal como se muestra en la siguiente Figura 4.8. El componente que depende de la temperatura es siempre no negativo. El componente que depende de la presión sólo es negativo si la presión es inferior a la presión del entorno. Esto es así porque se necesita trabajo para comprimir el gas, de manera que pueda ser expulsado al entorno a una presión superior.

Irreversibilidades 

La causa de la destrucción de exergía son las irreversibilidades de los sistemas, de esta forma la exergía destruida cuantifica en unidades de energía las irreversibilidades presentadas en los procesos. 

Un proceso se dice que es reversible si es posible que regresando cada paso del mismo se reestablezcan exactamente a su estado inicial respectivo el sistema y el medio circundante. 

Un proceso irreversible es cuando no hay forma de regresarlo, esto es, que no hay medios por los cuales el sistema y sus alrededores pueden ser exactamente restaurados a sus respectivos estados iníciales.

Un sistema que ha pasado por un proceso irreversible no necesariamente es excluido para ser restaurado a su estado inicial, sin embargo, aunque el sistema fuera restaurado a su estado inicial, no será posible regresar el entorno al estado en el que estaba inicialmente.

Hay varios efectos en los que su presencia durante un proceso le causa irreversibilidades, entre estos se incluyen los siguientes, aunque no son limitativos: 

• La transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita 
• La expansión de un gas o un líquido a una presión menor como la mostrada en la Figura 4.10

• La reacción química espontánea 
• La combustión 
• Fricción - la fricción de deslizamiento como la del flujo de fluidos 
• La corriente eléctrica fluye a través de una resistencia 
• La magnetización o polarización con histéresis 
• La deformación inelástica 
• Cualquier proceso que no se lleve a cabo de manera cuasiestática 
• Cualquier proceso que provoque diferencias de temperaturas dentro del mismo sistema como la producida por el efecto de Seebeck o efecto termopar, mostrado en la Figura 4.11

La mezcla de materia de diferentes composiciones o estados, como la mostrada en la Figura 4.12 en que se ve una mezcla de diferentes estados de la materia o en la Figura 4.13, que muestra un mezclador de dos flujos.

Figura 4.13 Mezclado de dos fluidos. 

Las irreversibilidades pueden ser divididas en dos tipos, internas y externas.

Las irreversibilidades internas son aquellas que ocurren dentro del sistema, mientras que las externas son las que ocurren dentro del entorno, normalmente en el entorno inmediato. Como esta clasificación depende de el lugar donde el analista establezca la frontera del sistema y el entorno inmediato, es arbitraria y no se puede generalizar.

Los ingenieros deben ser capaces de reconocer irreversibilidades, evaluando su influencia y estimando su impacto en los costos monetarios que implican, para poder reducirlos. Sin embargo, la necesidad de alcanzar ritmos de producción rentables, la transferencia de calor rápida que se requiere en varios procesos industriales, la aceleración rápida y otras circunstancias de la operación de los procesos, invariablemente implica la presencia de irreversibilidades importantes. Por esta razón las irreversibilidades son aceptadas dentro de ciertos rangos en todos los sistemas debido a que los cambios en diseño y operación que se requieren para reducirlas normalmente son muy costosos.

Sin embargo, las mejoras en el comportamiento termodinámico de los procesos normalmente originan la reducción de las irreversibilidades, las acciones llevadas a cabo en esta dirección normalmente están restringidas por un número de factores prácticos a menudo relacionados con los costos.

Es por estas razones que en cualquier caso práctico es muy importante evaluar técnica y económicamente el efecto de las irreversibilidades y las acciones requeridas para disminuirlas, con la finalidad de decidir cuales son convenientes llevar a cabo.

A manera de ejemplo, considere dos cuerpos a diferentes temperaturas y capaces de comunicarse térmicamente. Con una diferencia finita de temperaturas entre ellos, se presenta una transferencia de calor espontánea y, como se había mencionado antes, esta constituirá una fuente de irreversibilidad. Se puede esperar que la importancia de las irreversibilidades disminuya conforme la diferencia de la temperatura va disminuyendo.

Mientras la diferencia entre las temperaturas de los cuerpos se va acercando a cero, la transferencia de calor se acercará a la idealizada. Del estudio de transferencia de calor sabemos que la transferencia de una cantidad finita de energía entre los cuerpos, cuando sus temperaturas difieren por muy poco, requiere de una cantidad considerable de tiempo o una gran área de transferencia de calor, o las dos. Para aproximarse al la transferencia de calor idealizada o reversible, se requiere de una cantidad infinita de tiempo y/o un área infinita. Cada una de estas opciones claramente tiene implicaciones de costos.

Conclusiones 

En el presente capítulo se define el concepto de exergía como el de la energía útil o la calidad de la energía, mediante el análisis combinado de las dos leyes fundamentales de la termodinámica. Así mismo se vieron las formas de evaluar la exergía para un flujo de materia y para un flujo de calor; tomando en cuenta que para un flujo de trabajo es la misma cantidad, ya que el trabajo es exergía pura.