Transferencia de Exergía por Calor, Trabajo y Masa

La exergía al igual que la energía, puede transferirse hacia o desde un sistema en tres formas: calor, trabajo y flujo másico. Esta transferencia es reconocida en la frontera del sistema cuando la exergía la cruza, por lo que se representa como perdida o ganada por un sistema. Las únicas dos formas de interacción de exergía asociadas con una masa fija o sistema cerrado son las transferencias de calor y de trabajo.

Transferencia de exergía por Calor, Q

El calor es una forma de energía desorganizada y sólo una porción de él puede convertirse en trabajo, que es una forma de energía organizada. Es posible producir trabajo a partir de calor a una temperatura superior a la temperatura ambiente, transfiriéndolo a una máquina térmica que rechaza hacia el ambiente el calor de desperdicio.

Esta relación da la trasferencia de exergía que acompaña la transferencia de calor de Q siempre que T sea mayor o menor que To.

Cuando T > To, aumenta la exergía y la transferencia de calor disminuye.

Cuando T< To, disminuye la exergía y la transferencia de calor aumenta.

Cuando T= To, la exergía transferida debido al calor es cero.

Observe que la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperatura es irreversible, y como resultado genera una entropía. La generación de entropía siempre está acompañada por la destrucción de la exergía.

Transferencia de exergía por Trabajo, W

La exergía es el potencial de trabajo útil, y la transferencia de exergía por trabajo puede expresarse simplemente como:

En el caso de un sistema que involucra trabajo de frontera, como un dispositivo cilindro-émbolo, el trabajo realizado para empujar el aire atmosférico durante la expansión no puede transferirse, entonces debe retirarse.

Transferencia de exergía por Masa, m

La masa contiene exergía, así como energía y entropía; las tasas que proporcionan transportación de exergía hacia dentro o fuera del sistema son proporcionales al flujo másico.

El flujo másico es un mecanismo para transportar exergía, entropía y energía dentro o fuera de un sistema

·         Observe que la transferencia de calor por calor Xcalor, es cero para los sistemas adiabáticos

·         La transferencia de exergía por masa Xmasa, es cero para los sistemas que no involucran flujo másico a través de la frontera.

·         La transferencia de exergía total es cero para los sistemas aislados puesto que no involucran transferencia de calor, trabajo y masa.

Click aquí: https://www.dropbox.com/s/stm7iybne23ek5a/4.%20TRANSFERENCIA%20DE%20EXERGIA.gif?dl=0

FUENTE:

 CENGEL, YUNUS .A. & BOLES, MICHAEL A. (2011). Termodinámica. México: Mcgraw - Hill

Cambio de Exergía de un Sistema

La exergía es el potencial de trabajo util de un sistema a un ambiente especificado y representa la cantidad máxima de trabajo util que puede obtenerse cuando un sistema llega al equilibrio. A diferencia de la energía, la exergía si depende del estado del ambiente como la del sistema, por lo tanto es una propiedad de combinación. La exergía de un sistema que está en equilibrio del ambiente es cero; a este ambiente en equilibrio se lo conoce como “estado muerto” ya que no puede realizar trabajo.

Ahora se analiza la exergía termodinámica, por lo que no se toma en cuenta cualquier tipo de reacción química o de mezclado. Por lo tanto, un sistema que está en un estado muerto restringido está a la presión y temperatura del ambiente y no contiene energías Cinética y Potencial.

Exergía de una masa fija: exergía sin flujo (o sistema cerrado)

La energía interna consiste únicamente en energías sensibles y latentes que pueden ser transferidas hacia o desde un sistema como calor, siempre y cuando exista una variación de temperatura a través del sistema y frontera. Según la segunda ley de la termodinámica no todo el calor puede convertirse en trabajo, es decir que el potencial de trabajo de la energía interna será menor a propia energía interna.

Para entender mejor, se considera un sistema cerrado sin cambios de energía interna y potencial en un estado especificado, que experimenta una proceso reversible hacia el ambiente, es decir que la temperatura y presión final son To y Po, respectivamente. El trabajo util entregado durante el proceso es la exergía del sistema en su estado inicial.

Al considerar la transferencia de calor y trabajo en dirección desde el sistema, el balance de energía para el sistema durante el proceso es:

Cualquier trabajo util entregado por un dispositivo de cilindro-émbolo se debe a la presión por encima del nivel atmosférico, es decir:

Un proceso reversible no puede involucrar alguna transferencia de calor debido a la limitada diferencia de temperatura, por lo tanto, cualquier transferencia entre un sistema de temperatura T y de sus alrededores To debe ocurrir a través de una maquina térmica reversible.

 Si se toma en cuenta que  para un proceso reversible y que la eficiencia de una maquina térmica es , el trabajo diferencial generado por la maquina por la transferencia es:

                  

Donde W total útil es el trabajo entregado cuando el sistema experimenta un proceso reversible, por definición corresponde a la Exergía.

Cuando un sistema cerrado posee energías Cinética y Potencial que son formas de exergía, y que la energía total de un sistema es la suma de dichas energía y la energía interna; entonces:

Para sistemas estacionarios, los términos de energías cinética y potencial desaparecen.

Cuando las propiedades de un sistema no son uniformes, la exergía puede determinarse con integración:

El cambio de exergía de un sistema es cero si el estado del sistema o del ambiente no varía durante el proceso.  La exergía de un sistema cerrado es positiva o cero pero nunca es negativa.

Exergía de una corriente de flujo: exergía de flujo (o corriente) 
Un fluido en movimiento tiene una forma adicional de energía, llamada energía de flujo que es la necesaria para mantener el flujo en una tubería y se expresa como . El trabajo de flujo en la frontera realizado por el fluido sobre el fluido que está corriente abajo, es decir, que la exergía asociada con el trabajo de flujo es igual a la exergía asociada con el trabajo de frontera, entonces puede ser expresada de la siguiente manera:

Entonces la exergía de flujo en corriente se determina sumando la exergía de flujo y la exergía que no está en movimiento.

EJERCICIOS

8-28 Una masa de 8 kg de helio sufre un proceso desde un estado inicial de 3 m3/kg y 15 °C hasta un estado final de 0.5 m3/kg y 80 °C. Suponiendo que el entorno está a 25 °C y 100 kPa, determine el aumento en el potencial de trabajo útil del helio durante este proceso.

8.41) Un recipiente rígido aislado de 1.2 m3 contiene 2.13 kg de bióxido de carbono a 100 kPa. Ahora se realiza sobre el sistema trabajo de rueda de paletas hasta que la presión en el recipiente sube a 120 kPa. Determine a) el trabajo real de rueda de paletas realizado durante este proceso y b) el trabajo mínimo de rueda de paletas con el cual se puede realizar este proceso (entre los dos mismos estados inicial y final). Tome To=298 K. Respuestas: a) 87.0 kJ; b) 7.74 kJ

8-39E Se comprime gas oxígeno en un dispositivo de cilindro- émbolo, de un estado inicial de 12 pies3/lbm y 75 °F a un estado final de 1.5 pies3/lbm y 525 °F. Determine la entrada de trabajo reversible y el aumento en la exergía del oxígeno durante este proceso. Suponga que el entorno está a 14.7 psia y 75 °F. Respuestas: 60.7 Btu/lbm, 60.7 Btu/lbm.

Click aquí:

https://www.dropbox.com/s/341ogdxixpg3cjv/3.%20CAMBIO%20DE%20EXERGIA%20EN%20UN%20SISTEMA.gif?dl=0

FUENTE: -          CENGEL, YUNUS .A. & BOLES, MICHAEL A. (2011). Termodinámica. México: Mcgraw - Hill

Exergía

Potencial de trabajo de la Energía

Trabajo= f( estado inicial, trayectoria de proceso, Estado final) 

• Alrededores: todo lo que está fuera del sistema
• Alrededores  Inmediatos: Corresponde a la porción de los alrededores que son afectados por el proceso.
• Ambiente: Región que se halla más allá de los alrededores inmediatos cuyas propiedades en cualquier punto que no son afectados por el proceso.

Estado Muerto: Cuando el sistema se encuentra en equilibrio termodinámico con el ambiente, es decir, que el sistema está a la temperatura y presión de su ambiente.

Trabajo Real  (Nivel de Energía) > Trabajo Exergía

Siempre hay una difrencia entre el trabajo real y la exergía

 Nota: Las alteraciones del ambiente es otra manera de aumentar la exergía pero no es una alternativa fácil.

Exergía: Propiedad de la combinacion entre sistema y ambiente, y no del sistema exclusivamente.

-          La Exergía de la energia cinetica Ec y de la energía potencial Ep, son iguales a ellas mismas y estan completamenete disponible para trabajo.

-          La entalpía H y la energía interna U no están disponibles para trabajo.

Un sistema entrega el máximo trabajo posible cuando experimenta un proceso reversible del estado inicial especificado al estado de su ambiente.

El Trabajo Reversible (Wrev): Cantidad máxima de trabajo útil que puede producirse (o el trabajo mínimo que debe suministrase)

Ejercicios

1)      8-16 Un método de satisfacer la demanda adicional de potencia en los periodos pico es bombear algo de agua de un gran cuerpo de agua (como un lago) a un depósito de agua a mayor elevación en los tiempos de baja demanda y generar electricidad en los tiempos de alta demanda dejando que esta agua baje y haga girar una turbina (es decir, convertir la energía eléctrica en energía potencial y luego nuevamente a energía eléctrica). Para una capacidad de almacenamiento de energía de 5 x 10⁶ kWh, determine la cantidad mínima de agua que se necesita almacenar a una elevación promedio (relativa al nivel del suelo) de 75 m. Respuesta: 2.45*10¹⁰ kg

1)      8-17 ¿Qué porción de la energía térmica de 100 kJ a 800 K se puede convertir a trabajo útil? Suponga que el entorno está a 25 °C.

1)      8-19 Considere un depósito de energía térmica a 1 500 K que puede suministrar calor a razón de 150 000 kJ/h. Determine la exergía de esta energía suministrada, suponiendo una temperatura ambiente de 25 °C.

1)      Una máquina térmica recibe calor de una fuente de 1200 K a una taza de 500 KJ/s y rechaza calor de desecho a un ambiente a 300 K. La producción medida de potencia de la máquina térmica es de 180 kW. Determine a) la potencia reversible, b) la tasa de irreversibilidad.

Nota: Los 195 KW se desperdician durante el proceso, la diferencia de 500 KW  y 375 KW es lo que se puedes utilizar para el trabajo.

1)      Un bloque de hierro de 500Kg, está inicialmente a 200°C y se deja enfriar a 27°C, transfiriendo calor hacia el aire a los alrededores que se halla a 27°C. Determine el trabajo reversible y la irreversibilidad para este proceso.

Nota: El calor especifico del hierro es de 0.45Kj/Kg K para este proceso. Considere que el sistema es cerrado y que la energía cinética y potencial es despreciable. El proceso no involucra interacciones de trabajo.

1)      8-18 Una máquina térmica que recibe calor de un horno a 1 200 °C y rechaza calor de desecho a un río a 20 °C tiene una eficiencia térmica de 40 por ciento. Determine la eficiencia de la segunda ley de esta planta de potencia.

Click aquí: https://www.dropbox.com/s/ze1li3m64p2tix2/2.%20EXERGIA.gif?dl=0

FUENTE:

 CENGEL, YUNUS .A. & BOLES, MICHAEL A. (2011). Termodinámica. México: Mcgraw - Hill

Energía Disponible, Trabajo Máximo Y Disponibilidad

La segunda Ley de la Termodinámica.- expresa la posibilidad de convertir total y continuamente el calor en trabajo. También dice sobre el límite de perfección de toda máquina térmica que opera entre los límites de temperatura constante. 

La Entropía es todo proceso es “degenerativo” en cuanto la capacidad de realizar un trabajo.

Ejemplo: ¿Qué cantidad de calor suministrado o disipado por un sistema puede convertirse como máximo en un trabajo?

Balance de Energía

Nota: Es importante conocer no solo las pérdidas en un sistema mediante un balance de energía, sino también la parte de esta que aún puede convertir en trabajo; como por ejemplo los gases de combustión que se pueden volver a recuperar.

 Energía Disponible Y Energía No Disponible

Se lo conoce con el símbolo Qd y la no disponible con Qnd

Qd= Energía disponible

Qnd= Energía no disponible

Proceso Reversible

En una gráfica de (T - S), toda el área bajo la curva para un proceso se lo conoce como Q.

La derivada del trabajo es:

La cantidad de calor disipado a la atmósfera es la derivada de calor inicial Qo que es  igual a la temperatura inicial To por la derivada sobre la temperatura final:

Entonces, para procesos reversibles:

Proceso Irreversible

Para un proceso irreversible en un diagrama (T-S), no tiene interpretación física.

Ejercicio #1

Cierta cantidad de aire se calienta en un intercambiador de calor desde una temperatura ambiente de 15°C hasta una temperatura de 40°C. S i el fluido empleado para este calentamiento es vapor húmedo a 100 °C, determine. A) La energía disponible de vapor a 100°C. B) la energía disponible del aire. C) La pérdida de energía disponible durante el proceso.

Click aquí: https://www.dropbox.com/s/zlo0cxv60035dzd/1.%20ENERGIA%20DISPONIBLE.gif?dl=0

FUENTE:

 CENGEL, YUNUS .A. & BOLES, MICHAEL A. (2011). Termodinámica. México: Mcgraw - Hill