Exergía

Cuando se descubre una nueva fuente de energía, como un pozo geotérmico, lo primero que hacen los exploradores es estimar la cantidad de energía contenida en la fuente. Sin embargo, esta sola información sirve de poco para decidir si se construye una central eléctrica en ese sitio. Lo que realmente se necesita saber es el potencial de trabajo de la fuente, es decir, la cantidad de energía que podemos extraer como trabajo útil. El resto de la energía es finalmente descartada como energía de desecho y no debe ser considerada. Por lo tanto, es deseable tener una propiedad que permita determinar el potencial de trabajo útil de una cantidad dada de energía en algún estado especificado. Esta propiedad es la exergía, que también se denomina disponibilidad o energía disponible.

El potencial de trabajo de la energía contenida en un sistema en un estado especificado es simplemente el trabajo útil máximo que puede obtenerse del sistema. Recordemos que el trabajo realizado durante un proceso depende de los estados inicial y final y de la trayectoria del proceso. Es decir:

En un análisis de exergía se especifica el estado inicial, por lo tanto, no es una variable. La salida de trabajo se maximiza cuando el proceso entre dos estados especificados se ejecuta de una manera reversible.

Se afirma que un sistema está muerto cuando se encuentra en equilibrio de termodinámico con el ambiente como se muestra en la figura.

Se debe diferenciar entre alrededores, alrededores inmediatos y ambiente. Por definición, los alrededores son todo lo que está fuera de las fronteras del sistema; los alrededores inmediatos corresponden a la porción de los alrededores que son afectados por el proceso, y el ambiente es la región que se halla más allá de los alrededores inmediatos cuyas propiedades en cualquier punto no son afectadas por el proceso.

El estado muerto, el potencial de trabajo útil (exergía) de un sistema es cero.

Por consiguiente, cualquier irreversibilidad durante un proceso ocurre dentro del sistema y sus alrededores inmediatos, mientras que el ambiente está libre de cualquier irreversibilidad.

Cuando se analiza el enfriamiento de una papa horneada caliente en una habitación a 25 °C, por ejemplo, el aire tibio que rodea la papa corresponde a los alrededores inmediatos, y la parte restante del aire de la habitación a 25 °C es el ambiente. Note que la temperatura de los alrededores inmediatos cambia de la que tiene la papa en la frontera a la del ambiente que se encuentra a 25 °C.

Exergía potencial de trabajo asociada con la energía cinética y potencial

La energía cinética es una forma de energía mecánica, por lo tanto, puede convertirse completamente en trabajo. El potencial de trabajo o la exergía de la energía cinética de un sistema es igual a la propia energía cinética sin tener en cuenta la temperatura y la presión del ambiente.

Por lo tanto:

Donde v es igual a la velocidad del sistema relativa al ambiente.

La energía potencial también es una forma de energía mecánica, por lo tanto, puede convertirse completamente en trabajo. Así, la exergía de la energía potencial de un sistema es igual a la propia energía potencial sin tener en cuenta la temperatura y la presión del ambiente. Por lo tanto:

Por consiguiente, las exergías de las energías cinética y potencial son iguales a ellas mismas y están completamente disponibles para trabajo. Sin embargo, la energía interna u y la entalpía h de un sistema no están completamente disponibles para trabajo.