Examen final.termoeconomía monografia-2017

“TERMOECONOMÍA”
14 DE ENERO DE 2017
UNIVERSIDAD NACIONAL HERMILIO VALDIZAN
ESCUELA DE POST GRADO
INTEGRANTES:
- ARTEAGA VEGA, ADDERLIN.
- CABRERA MONTALVO ABRAHAMS.
- GARGATE ATANACIO MAURA GABRIELA.
- LAZARO TACUCHI PAVEL.
- RAMIREZ CHÍA OMHAYRA.
MAESTRIA EN MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE
MENCION GESTIÓN AMBIENTAL

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INTRODUCCIÓN
En toda instalación industrial se debe procurar minimizar el consumo de energía
y otros recursos, así como la producción de efluentes y residuos. Estos últimos
no son siempre consecuencias inevitables de su funcionamiento: Cuanto menos
eficiente es una planta, más residuos genera, y recíprocamente. Los efluentes y
residuos no producidos, por ser la planta más eficiente, ahorran costosos
equipos de depuración y aminoran su impacto ambiental. En el presente trabajo
se plasma los conceptos más resaltantes, tecnologías limpias, que han de ser
siempre eficientes. El proyecto de sistemas limpios y eficientes requiere un
empleo riguroso de los recursos científicos y tecnológicos adecuados. Por lo
general, cuanto más limpio y eficiente es un sistema, tanto mayor es la inversión
que requiere, con la consiguiente repercusión en los costes, de la
Termoeconomía que facilita el logro del coste óptimo, conjugando las mejoras
en el consumo de recursos y la eficiencia energética con los requerimientos de
capital.
La Termoeconomía, mediante una aplicación integrada y rigurosa de la
economía y la termodinámica, proporciona una herramienta muy potente y
rigurosa para el análisis, la evaluación y la optimización de sistemas industriales.
Todo ingeniero ha de ser capaz de analizar y evaluar los equipos e instalaciones
que encuentre en su campo de actividad, con el fin de optimizar los costes.
La Termoeconomía se aplica a una extraordinaria variedad de sistemas, tales
como los que pueden encontrarse en la industria petrolera, química o
metalúrgica, generación de energía eléctrica, climatización, etc... Su utilización
se extiende tanto al diseño de nuevas plantas como al análisis de instalaciones
existentes para diagnosticar y valorar las deficiencias y la evaluación de
mejoras, ampliaciones o modificaciones, todo ello se puede apreciar en el
siguiente trabajo monográfico.

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TERMOECONOMÍA
1. MARCO TEÓRICO
En el análisis termodinámico tradicional de sistemas industriales se viene
aplicando básicamente el Primer Principio de la Termodinámica. Este principio
establece, como es sabido, que la energía no se crea ni se destruye, sino que
simplemente se transforma, cambia de forma. Por tanto, la energía perdida por
un sistema en un proceso cualquiera es igual a la ganada por su entorno. Este
hecho permite formular balances de energía, que son muy útiles, por ejemplo,
para valorar las pérdidas de calor de un sistema. Los balances energéticos
manejan como equivalentes las diversas formas de energía. Sólo importan sus
valores y no su mayor o menor utilidad. Para ilustrar esto consideraremos, por
ejemplo, el grupo térmico que produce energía eléctrica a partir de un
combustible, mediante una caldera de vapor y un turboalternador.
2. OBJETIVOS
2.1.Objetivo General
- Determinar a través del análisis exergético la dinámica energética
de los procesos industriales y naturales en el Perú dentro de la
conceptualización de Termoeconomía.
2.2.Objetivos Específicos
- Determinar el valor potencial del ahorro energético en un sector a
través de la información recopilada.
- Analizar termoeconomicamente para determinar si es posible la
cuantificación intangible de contables y físicos representados en el
exergía.
- Establecer conceptos generales A partir de la primera ley de la
termodinámica y asociarla al análisis real.
- Conocer las herramientas de cálculo energético y exergético los
cuales sirven en el desarrollo dentro de un proceso energético.

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3. DEFINICIONES CONCEPTUALES
3.1.Termodinámica
La palabra termodinámica se origina del griego y significa literalmente
el estudio de las fuerzas (dynamis; dunamiz) que originan el calor (thermo;
termh). Hoy en día esta traducción no tiene mucho que ver con la esencia
de lo que estudiamos bajo el concepto de termodinámica. La definición
original ya no es válida pues la termodinámica no sólo estudia el calor, sino
todo tipo de formas de energía (mecánica, eléctrica, química, nuclear, etc.).
Además, la termodinámica clásica (de la que trata este curso) se ocupa de
estados de equilibrio y no de estados dinámicos, para los cuales las fuerzas
son importantes. Hoy en día, la termodinámica abarca campos tan diversos
como la ingeniería, la biología, la química, la medicina entre otras. Se podría
decir que la termodinámica es la ciencia que estudia las transformaciones
energéticas.
La termodinámica es una ciencia exacta que se origina a mediados del
siglo XVIII como consecuencia de una necesidad de describir, predecir y
optimizar la operación de las máquinas de vapor. Las leyes de la
termodinámica como las planteamos hoy son el resultado de más de 250
años de experimentación e interpretación teórica. El hecho de que la
termodinámica pretenda describir matemáticamente hechos observables
nos da a nosotros una gran ventaja, ya que inadvertidamente conocemos
muchos aspectos de nuestra propia experiencia cotidiana.
La termodinámica se fundamenta en cuatro leyes universales
denominadas las leyes cero, primera, segunda y tercera. Cronológicamente
sólo la tercera está correctamente numerada. La segunda ley fue formulada
en 1824 y la primera ley unos veinte años después. La tercera y la ley cero
se enunciaron a comienzos del siglo XX.
3.2.Economía
La economía es una ciencia social que se encarga de estudiar la forma
en que los seres humanos, como individuos o grupos, tratan de adaptar
recursos escasos a sus necesidades mediante los procesos de producción,
distribución, sustitución, consumo e intercambio. Son muchas las

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definiciones que se han hecho de la economía a lo largo del tiempo. En las
primeras se afirmaba que consistía en el estudio de la riqueza.
3.3.Energía
Etimológicamente, la palabra energía se acuñó en el siglo XIX tomando
del griego “ergon”, que significa “trabajo, acción,...” con el prefijo “en”, que
quiere decir “dentro”.
3.4.Ecología
La ecología es la especialidad científica centrada en el estudio y análisis
del vínculo que surge entre los seres vivos y el entorno que los rodea,
entendido como la combinación de los factores abióticos (entre los cuales
se puede mencionar al clima y a la geología) y los factores bióticos
(organismos que comparten el hábitat). La ecología analiza también la
distribución y la cantidad de organismos vivos como resultado de la citada
relación.
Cabe destacar que Ökologie es un concepto que data de fines de la
década de 1860 y fue acuñado por el biólogo y filósofo de origen alemán
Ernst Haeckel. Esta palabra está compuesta por dos vocablos griegos: oikos
(que significa “casa”, “residencia” u “hogar”) y logos (término que,
traducido al español, se entiende como “estudio”). Por eso, la ecología se
define con precisión como “el estudio de los hogares”.
Actualmente se considera que la ecología es una rama de las ciencias
biológicas, y es la encargada de estudiar las interacciones entre los
organismos vivos y el entorno natural en el que habitan. Es una ciencia
multidisciplinaria que para desarrollarse como tal necesita de otras ciencias
para comprender la totalidad del estudio del medio ambiente. Entre estas
otras ciencias se encuentran la climatología, la biología, la ética y la
ingeniería química.
3.5.Termoeconomía
Es la rama de la ingeniería energética que, mediante la aplicación
combinada de los recursos de la termodinámica y la economía, permite
lograr unos resultados que no se habrían obtenido con los métodos de
análisis termodinámico y económico tradicionales. La diferencia

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fundamental radica en el uso del Segundo Principio de la Termodinámica y
la noción de exergía. Se toma la exergía como base racional para asignación
de costes económicos a los recursos y productos que intervienen en los
procesos industriales y para la valoración económica de las imperfecciones
termodinámicas de dichos procesos. Todo esto constituye una aportación
sustancial al análisis, evaluación y optimización de sistemas.
3.5.1.Objeto de la Termoeconomía
La Termoeconomía, mediante una aplicación integrada y rigurosa
de la economía y la termodinámica, proporciona una herramienta muy
potente y rigurosa para el análisis, la evaluación y la optimización de
sistemas industriales. Todo ingeniero ha de ser capaz de analizar y
evaluar los equipos e instalaciones que encuentre en su campo de
actividad, con el fin - entre otros - de optimizar los costes. Por otra parte,
la actividad distintiva del ingeniero es el proyecto. Éste tiene por objeto
sintetizar algo que antes no existía y evaluarlo con criterios basados, por
ejemplo, en la economía, la seguridad, la fiabilidad y el impacto
ambiental. Las capacidades de síntesis y evaluación son la esencia misma
de la actividad creadora del ingeniero.
3.5.2.Fines de la termoeconomía
En general, la termoeconomía tiene los siguientes fines:
 Calcular los costes de los productos intermedios y finales de los
procesos.
 Analizar el proceso de formación y el flujo de los costes en los
procesos.
 Valorar los costes de las destrucciones y pérdidas de exergía.
 Optimizar el funcionamiento de cada componente de un
sistema y el de éste en su conjunto.
 Optimizar el coste de los productos de un sistema.
Por ejemplo, las comparaciones de costes de la destrucción de
exergía en los equipos con sus respectivos costes de inversión permiten
juzgar si el ahorro exergético aportado por una cierta mejora de
eficiencia justifica la mayor inversión que probablemente se requiera.

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Estos cálculos son sumamente útiles en la toma de decisiones de
mejora. Cuando se trata de un sistema complejo, el uso de
aproximaciones sucesivas, guiadas por la termoeconomía, constituye
probablemente el mejor recurso práctico de optimización existente en
la actualidad.
Según Valero y Torres (2005), la Termoeconomía proporciona
métodos para:
 Evaluar la cantidad y calidad de las pérdidas energéticas.
 Evaluar el coste de las pérdidas en términos de consumo de
recursos.
 Aplicar a diferentes niveles de decisión sobre sistemas
energéticos. Sus aplicaciones principales son las siguientes
(Valero y Torres, 2005):
 Asignación de precios a productos en base a criterios físicos.
 Optimización de variables específicas de procesos para
minimizar el coste de producción. • Detectar ineficiencias y
calcular sus efectos económicos.
 Evaluación de varias alternativas de diseño u operación.
 Sintetizar e integrar procesos.
El análisis termoeconómico permite aplicar las herramientas de la
Termoeconomía al diagnóstico y a la optimización de sistemas
energéticos complejos. Sin embargo, el diagnóstico termoeconómico es
probablemente la aplicación más desarrollada. Diagnóstico es el arte de
descubrir y entender los signos de malfunción y cuantificar sus efectos.
En el caso de la Termoeconomía, el efecto de dicha malfunción se
cuantifica en términos de consumo adicional de recursos para
mantener la producción, en calidad y cantidad (Uche, 2000). Por
consiguiente, el diagnóstico termoeconómico de la operación de
sistemas energéticos complejos se aplica para diagnosticar las causas
del consumo adicional de fuel de una planta en operación debido a las
ineficiencias de sus componentes.
Los objetivos del diagnóstico termoeconómico son los siguientes
(Valero y Torres, 2005):

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 Identificar las malfunciones de cada componente de un sistema
térmico.
 Evaluar sus efectos sobre la eficiencia global de la planta.
 Determinar dónde, cómo y qué cantidad de recursos
consumidos pueden ser ahorrados.
3.6.Exergía:
La exergía, en cambio, lleva el prefijo “ex”, que indica “fuera”. La
introdujo Rant a mediados del siglo XX para designar la capacidad de
realizar trabajo útil sobre el entorno. Esta capacidad es lo que caracteriza la
calidad de la energía. Hay formas de energía, tales como la cinética,
eléctrica o química, que pueden transformarse íntegramente en trabajo útil
y son pura exergía. Hay otras, por el contrario, tales como el calor o la
radiación, que sólo pueden convertirse parcialmente en exergía.
Las discrepancias entre la energía y la exergía pueden ser radicales. Por
ejemplo, cuando se calienta un cuerpo aumenta siempre su energía. Lo
mismo ocurre con la exergía cuando la temperatura del cuerpo es superior
al ambiente. Al calentarlo aumenta su capacidad de producir trabajo útil.
Pero si el cuerpo se encontrase a una temperatura inferior al ambiente, es
evidente que dicha capacidad disminuiría, aunque su energía aumente. La
exergía aumenta al alejarse del equilibrio con el ambiente, en uno u otro
sentido. Este ejemplo ilustra el hecho de que la exergía depende de los
estados del sistema y de su ambiente y se anula cuando ambos se
encuentran en equilibrio termodinámico.
La exergía hace referencia a la utilidad potencial de una determinada
fuente de energía. Se puede definir como el trabajo máximo teórico que
podría obtenerse de la interacción entre un determinado sistema
termodinámico y el ambiente de referencia. Si el estado de una cantidad
de materia es diferente al del ambiente, existirá la posibilidad de producir
trabajo. Conforme el sistema evolucione hacia el equilibrio con el
ambiente, dicha posibilidad se reducirá.
El ambiente de referencia hace alusión a una porción de entorno cuyas
propiedades intensivas no cambian significativamente como resultado de
cualquier proceso que se considere. Se considerará como tal un sistema

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simple compresible de enormes dimensiones con presión p0 y
temperatura T0 uniformes y constantes.
Conviene tener en cuenta algunos aspectos adicionales de la exergía:
 La exergía es una propiedad de los sistemas cerrados.
 El valor de la exergía no puede ser negativo. Las transferencias de
exergía asociadas a flujos de energía en tránsito (en forma de calor
o trabajo) pueden tener uno u otro signo dependiendo del sentido
y naturaleza de dichos flujos.
 La exergía no se conserva, sino que se destruye a causa de las
irreversibilidades
3.6.1.EFICIENCIA EXERGÉTICA
Se puede definir como:
La dificultad reside en identificar estos términos para un sistema o
instalación particular. En muchos casos pueden existir distintas
interpretaciones válidas dentro de un orden lógico, que suelen depender
de si los flujos exergéticos residuales que abandonan el sistema son o no
aprovechados para otros usos en otra instalación o en otro elemento de la
misma instalación.
4. SISTEMA Y AMBIENTE
Empezaremos por las nociones de sistema y ambiente:
Sistema es aquella parte del Universo que se somete a estudio, Ambiente
aquella parte del resto del Universo que puede ejercer alguna acción sobre
el sistema. Interesa clasificar los sistemas según sus posibilidades de
interacción con su ambiente: Un sistema se denomina abierto si puede
intercambiar materia, calor y trabajo con su ambiente. Se le llama cerrado si
no puede intercambiar materia, pero son posibles las transferencias de calor

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y trabajo. Finalmente, se le llama aislado cuando no es posible interacción
alguna con el resto del Universo.
Obedeciendo al grado de separación que estos sistemas presenten respecto
a su entorno, es posible reconocer tres tipos distintos:
 Sistemas abiertos. Los más predominantes de todos, se caracterizan
por intercambiar energía y/o materia con el entorno que los rodea, ya
sea tomando de él, expulsando hacia él o las dos cosas.
 Sistemas cerrados. A diferencia de los anteriores, intercambian energía
(calor, trabajo) con el exterior, pero nunca materia (su masa permanece
intacta).
 Sistemas aislados. Se les llama así porque no intercambian ni energía ni
materia de ningún tipo con su entorno, se los considera un sistema
desconectado de las dinámicas a su alrededor. No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados, por lo que se consideran
casos de abstracción en períodos determinados de tiempo. Se suponen
en equilibrio termodinámico.
4.1. Sistemas abiertos
– El cuerpo humano. En tanto está necesitado de materia para
descomponer y obtener energía, el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgánicos. Por otro
lado, requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente. De no poder realizar ambas acciones
durante un período muy prolongado, el sistema falla y se produce
la muerte.
– Una olla de agua hirviendo. La energía introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas, que es liberado de vuelta al
medio ambiente. Sin esa inyección de calor constante, el agua
dejará de hervir; y sin espacio para salir, el vapor (materia)
aumentará la presión hasta reventar la olla.
– Una hoguera. Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable, ya sea carbón o ramas
secas. Sin esa materia que consumir, el fuego se apagará.

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– Un motor a combustión. Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible: gasolina, gasoil, etc. amén de diversos aceites que
reducen la fricción entre sus partes. Sin estos aditivos el motor,
simplemente, no anda o andará poco hasta romperse.
– La mayoría de las plantas. Así como el cuerpo humano, las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energía (solar) para llevar a cabo la fotosíntesis
vital.
– Una máquina de hacer palomitas de maíz. En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maíz, que deben
añadirse junto con energía eléctrica que se traduce en calor y los
hace estallar. El resultado, por demás, vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo, cotufas, etc.).
– Un compostero. El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradíos opera en base a la introducción constante en
el compostero de materia orgánica de desecho: cáscaras, restos
de comida, etc. Sin ellos, los procesos de degradación de la materia
se detendrían y también la producción del abono.
– Una trituradora de papel. Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto, pues requiere de la introducción de materia
(papel) para triturar y de energía (eléctrica) para operar sobre ella.
Sin ellos, simplemente, no sirve para nada.
– Las saunas. Para producir el vapor contenido en los saunas, se
requiere de agua (materia) y energía (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado. Después
de un período, el vapor desaparecerá y se necesitará una nueva
inyección de insumos al sistema.
– Un reactor nuclear. La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente, es producto de la fisión del uranio (u
otros elementos materiales) en una reacción atómica
controlada que permite generar mucha energía calórica
aprovechable, pero también muchos desechos tóxicos que deben
ir a dar a algún lugar del entorno.
4.2. Sistemas cerrados

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– Los bombillos o focos. No necesitan materia para operar, pero sí
energía eléctrica constante: en el momento en que se la corte,
cesarán en su emisión de luz, que dicho sea de paso es también
una forma de energía transmitida al entorno.
– Una botella de agua fría. Al estar cerrada la botella, la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible: no puede entrar ni salir líquido. Sin embargo, es posible
intercambiar energía: el agua se irá calentando gradualmente
hasta perder su frialdad.
– Un teléfono celular. Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada), sí
precisa de electricidad a diario, pues al agotarse la batería dejará
de funcionar. Eso, claro, si tomamos como muestra un período
diario en que no haya necesidad de repuestos.
– Un termómetro. Ya que está cerrado herméticamente, el
contenido de un termómetro no varía jamás, pero sí reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe, es decir, es sensible a la
entrada de calor (energía).
– El sol. A menos que se lo piense en términos de millares de años,
al cabo de los cuales habrá consumido todo su material y morirá, el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado, que no intercambia
materia con su entorno, pero sí expulsa energía (radiación solar,
luz solar, calor) a borbotones.
– El planeta tierra. De forma similar, la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vacío que la circunda o a los demás
planetas y objetos celestes, pero recibe energía solar
constantemente, sin la cual la vida sería un planeta inhabitable.
– Un envase con comida caliente. Cerrado de manera hermética, el
envase impedirá que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella, pero incluso así irradiará el calor de la comida hacia
afuera, pudiendo quemarnos si fuera el caso.
– Una batería. Los químicos en su interior reaccionan y generan
energía que es dirigida hacia el exterior y consumida, pero la
materia en su interior no sufre variaciones.

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– Los televisores. Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energía eléctrica, para emitir luz de diversos tipos y modulaciones,
junto con ondas sonoras, al medio externo. Pero no requieren de
inyección de materia, ni la masa en su interior es alterada.
– Las ollas de presión. Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior, para que actúen sobre la comida
cocinándose, estos recipientes actúan como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia, pero no de la energía que
escapa como calor, ni de la necesaria para iniciar la cocción,
también proveniente del afuera.
4.3. Sistemas aislados
– Una caja fuerte. El contenido en las cajas fuertes está separado
por gruesas capas herméticas de metal de su entorno, aislado de
la materia y de la energía, al menos en condiciones normales: si la
arrojamos a un volcán es seguro que se derrita y se incinere su
contenido.
– Los trajes de neopreno. Un hombre embutido en estos trajes,
usualmente para el buceo o submarinismo, se encuentra
protegido durante un período de tiempo del intercambio calórico
entre el agua y su cuerpo, amén de impedir que ésta (materia)
penetre al interior del mismo.
– Los termos. Durante un período puntual de tiempo, los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energía hacia el medio ambiente, a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introducción del mismo. No
obstante, dado el tiempo suficiente, la inevitable fuga del calor
ocurrirá y el contenido volverá a estar frío.
– Una cava térmica. Como las empleadas para transportar
alimentos, operan en base a la reducción extrema de la entrada de
calor, manteniendo su contenido frío durante un período
determinado. Una vez superado ese rango de tiempo, el contenido
empezará a calentarse.
– El iglú de los esquimales. Diseñado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento, nieve, lluvia) y
además del enfriamiento extremo de dichos climas, puede

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considerarse un sistema aislado… hasta que el habitante tenga que
salir.
– Una bombona de gas. Contenido a presión en su interior, el gas
está aislado de la materia y la energía a su alrededor en
condiciones normales; ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia.
– El universo. Dado que no sabemos qué hay afuera de él, ni si hay
un afuera de él, debemos suponer que el universo es un sistema
aislado, en el que no ingresa ni egresa materia o energía, sino que
opera de manera independiente de su entorno.
– Los alimentos enlatados. En condiciones normales, estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energía. Claro que sería posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento, e incluso fundirla en temperaturas
extremas, pero incluso así durante unos (breves) instantes la
comida estará aislada por completo del calor.
– Una cámara hiperbárica. Útiles, justamente, para aislar de las
condiciones atmosféricas a los buzos con burbujas de nitrógeno en
la sangre, no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energía, o al menos no en cantidades apreciables
y significativas.
– La mente humana. Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energía, es quizá uno de los ejemplos de sistema
aislado más factibles. Esto, claro, sin tomar en cuenta el lado físico
de la misma: el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto.
En el análisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinámicas del
sistema. Estas propiedades pueden ser de dos tipos:
– Intensivas, que miden propiedades locales, tales como la presión,
temperatura, densidad, etc. y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes.
– Extensivas, que sí dependen de la cantidad de materia, tales como
la masa, el volumen o la energía. Si no se toman en consideración
los efectos en los límites o fronteras del sistema ni las acciones a

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distancia, su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen.
Se dice que un sistema es homogéneo cuando sus propiedades
intensivas no varían al pasar de unos puntos a otros del mismo. El
sistema es heterogéneo en caso contrario. Frecuentemente, los
sistemas heterogéneos están formados por dos o más porciones
homogéneas, llamadas fases, tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas. Las propiedades extensivas
de los sistemas homogéneos son proporcionales a su cantidad de
materia. Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogéneo.
El estado de un sistema, o de una fase, queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinámicas, las cuales –por ello– se
llaman también variables o funciones de estado. Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinámica es la determinación del número
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema. La termodinámica maneja también
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y, por tanto,
no son propiedades de ningún sistema. Por ejemplo, el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformación es algo
característico de ésta y no del sistema o su ambiente. Esto ocurre, en
general, con todos los intercambios.
Cuando un sistema se deja abandonado a sí mismo, sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente, sus
propiedades termodinámicas podrán ir variando con el tiempo. Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energía con el ambiente. Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinámico. Éste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos específicos de equilibrio considerados en Física o en Química.
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva – dentro del
sistema o entre éste y su ambiente – constituye un desequilibrio. El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias. Las
diferencias de presión provocan flujos de materia, las de temperatura

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flujos de calor, etc... El estado de equilibrio termodinámico
corresponde a la eliminación de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas, en su
interior o en relación con su ambiente. Así puede hablarse de equilibrio
mecánico, térmico, químico, etc., que no son más que aspectos
parciales del equilibrio termodinámico.
Para que se produzca espontáneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de algún desequilibrio, bien dentro del sistema o
entre éste y su ambiente. Como caso límite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesión continua de estados de
equilibrio. Tal proceso se denomina reversible. Aunque, en rigor, todo
proceso real es irreversible, el análisis de procesos reversibles es muy
útil como aproximación en cálculos teóricos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones.
Como acabamos de ver, durante el proceso de aproximación al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinámicas, intensivas y extensivas del sistema. En tal caso se dice
que el proceso se produce en régimen transitorio o variable. En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas, por ejemplo), permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energía con el ambiente, de modo que las
propiedades termodinámicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo. Los procesos tienen lugar entonces en régimen permanente
o estacionario. En tal caso, en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema, tales como su masa o su volumen,
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales. La mayoría de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en régimen permanente, que es el más fácil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
producción.
4.4. Temperatura
La termodinámica añade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecánica (longitud, masa y tiempo). Es ésta

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la temperatura, cuya definición está vinculada al equilibrio
térmico. Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogéneos cerrados – cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto térmico). Si
permanecen en equilibrio, sin experimentar alteración alguna en
sus respectivos estados, diremos que se encuentran a una misma
temperatura. En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permanecerá en equilibrio al llevarlo al
contacto térmico con otros. Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto térmico. Si no permanecen en
equilibrio, sus temperaturas serán diferentes. En este último caso,
desde el momento en que se ponen en contacto, ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio, en el cual sus temperaturas se habrán hecho
iguales.
Consideremos ahora dos sistemas A y B, cuyas temperaturas
queremos comparar. Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto térmico con A y B. Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones, se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto. Este hecho experimental no
evidente por sí mismo se establece como un principio
fundamental, con el nombre de Principio Cero de la
Termodinámica: Si un sistema está en equilibrio térmico con otros
dos, éstos lo estarán a su vez entre sí. Así puede darse un valor
cuantitativo a la noción de temperatura (temperatura empírica)
mediante una selección conveniente del tercer sistema, que sería
el termómetro.
Usualmente se emplean dos escalas termométricas: la de Celsius y
la de Kelvin. Los valores t y T respectivos están relacionados por la
expresión

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T = 273,15 K + t ……..(expresión 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K). Cuando se
emplea la escala de Celsius, la unidad se representa por °C, igual al
K, ya que la única diferencia entre ambas escalas es la posición del
cero. El empleo de símbolos diferentes sirve únicamente para
caracterizar este hecho. Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinámica apreciaremos la base teórica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta.
Usualmente se emplean dos escalas termométricas: la de Celsius y
la de Kelvin. Los valores t y respectivos están relacionados por la
expresión.
4.4.1. El Primer Principio de la Termodinámica
Su formulación no es más que una expresión del Principio de
la Conservación de la Energía en la que se hace aparecer
explícitamente la transferencia de calor. Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta, se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energía con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinámica energía. En esta fórmula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por éste. El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energía como una propiedad termodinámica del sistema. Por
lo tanto, los intercambios energéticos del primer miembro de
la ecuación anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar, como se observa en la
siguiente figura:

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Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresión del Primer principio:
 Calor. Es la forma de intercambio energético que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto térmico.
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios térmicos. Más adelante volveremos sobre
esta cuestión.
 Trabajo. Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingeniería termodinámica
obedecen a la siguiente definición: Trabajo es el
intercambio energético que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a través de la cual
actúa una fuerza. Si consideramos una fuerza F, ejercida
por el sistema sobre el ambiente a través de la superficie
de control, la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr, el trabajo elemental realizado
por el sistema será el producto escalar de F por dr:
 Energía. La energía de un sistema queda determinada
por factores muy diversos: su posición en un campo de
fuerzas (energía potencial mgz, en donde m es la
masa, g la aceleración de la gravedad y z la altitud, si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre), su
movimiento como un todo (energía cinética mc2
/2, en
donde c es la velocidad), o la energía debida a la
estructura, el movimiento y las interacciones de las

20
moléculas, átomos y partículas que lo constituyen
(energía interna U).
4.4.2. El Segundo Principio de la Termodinámica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la función de estado energía, cuya diferencial verifica. De
una forma similar, enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue:
Existe una función de estado extensiva S, llamada entropía,
con las dimensiones energía/temperatura, caracterizada por
las siguientes propiedades:
a) Puede variar únicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generación o creación interna en el propio
sistema:
b) La entropía debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica

El valor de este término puede ser, por tanto, positivo,
negativo o nulo, según lo sea δQ.
c) La entropía generada en el sistema no puede ser negativa:
y sólo será nula cuando el proceso sea reversible. En caso contrario
es siempre positiva. Por tanto δSg es positiva para todo proceso
espontáneo.
5. ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecología Industrial.
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricación comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de producción y termina con la expedición del producto
acabado. La Ecología Industrial va más lejos, considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas, los efectos de su extracción y el destino final del producto una vez agotada
su vida útil, entre otros aspectos.
5.1. Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecología Industrial y
la Termoeconomía surge la siguiente cuestión: ¿por qué aplicar la Termoeconomía a
la Ecología Industrial? La respuesta parte de la base de que la integración de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos, productos y residuos
implica, entre otros beneficios, ahorros energéticos. Y el modo más objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinámica (Valero et al,
2010). Es decir, se trata de tener en consideración no sólo la primera ley de la
termodinámica, la cual indica que la energía se conserva transformándose de una
forma a otra, sino también la segunda ley de la termodinámica, que reconoce la
existencia de formas de energía más útiles y menos degradadas que otras. Por tanto,
la combinación de ambas leyes indica que no es una cuestión de cantidad de energía
ahorrada, sino de la calidad de esa energía, es decir, de su contenido exergético. El
presente trabajo trata de explicar las metodologías que la Termoeconomía
actualmente está aplicando al análisis, optimización y diagnóstico de sistemas
energéticos, tales como centrales térmicas, a la Ecología Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial. El análisis termoeconómico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como, identificar posibles integraciones, mejorar la
eficiencia, cuantificar los beneficios obtenidos por la integración o determinar los
precios en base a criterios físicos (Valero et al, 2010). Conviene describir también la
utilización de la Termoeconomía como herramienta de análisis en ecoparques
industriales. Por tanto, se puede afirmar que la Ecología Industrial representa un
campo de aplicación emergente para el análisis termoeconómico.

1
5.2. Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo práctico más reconocido mundialmente en el ámbito de la Ecología
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg, en el cual se acuñó la palabra de
Simbiosis Industrial. Constituye la primera referencia de creación de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un área común y su éxito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantación de esta
estrategia en otros lugares.
La experiencia empezó cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterránea empleando agua de un lago cercano. A raíz de ello,
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres áreas: agua, energía y subproductos, adoptando también la denominación
de ecoparque o ecosistema industrial.
Integrantes:
Actualmente, el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg está constituido
por cinco participantes principales más otros diez participantes secundarios:
Principales Participantes
Flujos:
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial está compuesta por 31 flujos, los cuales se pueden clasificar en tres
categorías:

2
a) Flujos hídricos
Imagen de Flujos Hídricos
Fuente: http://www.bdigital.unal.edu.co/46673/1/08941073.2015.pdf
b) Flujos energéticos
Imagen de Flujos Energéticos

3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
5.3. Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial están determinados
por ahorros en el consumo de agua, combustible y materia prima, dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados así como las emisiones de
contaminantes, como se muestra en la tabla siguiente:
Sin embargo, es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial, puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio. En el caso de los flujos de residuos, su
valorización conlleva por un lado evitar la “eliminación” de dicho residuo, y por el
otro se evita el consumo de la materia prima, así como de todos los recursos

4
asociados a la obtención de la misma, que sería necesario si no se llevara a cabo la
valorización.
Por ejemplo, los procesos de desulfuración en la central térmica y la refinería,
además de evitar la emisión de dióxido de azufre a la atmósfera, producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente. La valorización de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su “eliminación”, y para los receptores, en el caso
del yeso se reduce la importación de yeso natural, mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtención. Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo, su valorización
repercute en una menor necesidad de clinker, y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricación. El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricación de
ambos productos.
En el caso de los flujos energéticos, como por ejemplo el gas excedente de la
refinería o la energía térmica residual de la central, en origen conlleva evitar su
disipación al medioambiente, mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible.
En cuanto a los flujos hídricos, el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua, focalizado en sus inicios en la sustitución de
agua subterránea por agua superficial, y más tarde en la reutilización.
Además, en términos económicos también se han alcanzado beneficios
sustanciales.
Como ejemplo, para el año 2000 ya se habían invertido 75 millones de dólares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de dólares (Cervantes et al,
2009). 6. Caso de estudio La aplicación de la Termoeconomía al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definición de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterización en términos de exergía.
En este sentido, la información técnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido. Sin embargo,
fruto de una extensa y laboriosa búsqueda bibliográfica, se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos más representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg.

5
6. CONCLUSIONES
 El análisis exergético se constituye en una sólida herramienta para entender la dinámica
energética de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales. Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda acción microscópica o macroscópica demanda un
consumo energético valioso.
 El verdadero potencial de ahorro energético de un sector industrial no se puede valorar
únicamente a partir de la sustitución de energéticos como consecuencia del
comportamiento del mercado, o por la sustitución de tecnologías por el efecto de
nuevos desarrollos, sino a través de un balance exergético que determine las
condiciones máximas de operación a partir del propósito de cada acción o proceso.
 Por medio del análisis termoeconómico es posible la cuantificación de intangibles
contables y físicos representados en la destrucción de exergía causada por múltiples
factores como: errónea elección de un combustible, de un mecanismo, de un lugar de
operación, fallas de operación en los procesos, erróneos parámetros de operación, etc.
 A partir de la primera ley de la termodinámica se estableció el precepto básico de la
transformación de energía, no se crea, no se destruye, se transforma en calor, en
trabajo, aumenta o disminuye la energía interna; la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinámica denominada entropía, asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales. El análisis
exergético complementa las leyes anteriores considerando el propósito y cómo a través
de su desarrollo se destruye la exergía pese a la conservación de la energía.
 La metodología desarrollada para el análisis termoeconómico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoración exergética del uso de los
recursos. Si la valoración fuera de carácter sectorial la metodología sería la misma sólo
que tendría que apoyarse en las estadísticas de consumo energético por sector y se haría
necesario evaluar la exergía física y química de todos los recursos involucrados.Como
punto de partida sería recomendable valorar la exergía química de los hidrocarburos
producidos en Perú.
 Las herramientas de cálculo favorecen las evaluaciones termoeconómicas de los
procesos, fácilmente la teoría exergética puede articularse a través de ecuaciones
simples. En el caso particular el desarrollo es válido para un proceso de combustión
externa con secado directo. Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
información básica de operación realiza un análisis profundo de la destrucción
exergética así como de la valoración de alternativas de diseño, operación y cambios
tecnológicos.
 La Termoeconomía trata de costes, bien monetarios (ptas./kJ)o puramente energéticos
(kJ de recurso/kJ de producto), y se utiliza principalmente para la contabilidad,
diagnóstico, mejora y diseño y optimización de sistemas térmicos. Pero en mi opinión
abarca más, es la ciencia en la que la Termodinámica, y en particular, el segundo
principio se une con la Economía, ambas en un sentido amplio. Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construirá con las aportaciones de muchos autores, no sólo
ingenieros mecánicos. En el futuro habrá que poner orden y sistemática a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como físicos, biólogos, químicos o

6
ingenieros quieren encontrar en las analogías y explicaciones entre la Termodinámica y
la Economía.
 Vivimos en un mundo finito y pequeño para la gente que somos y seremos, y los recursos
naturales son un bien escaso. Si queremos sobrevivir, debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propósito la Termoeconomía jugará un papel clave.
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energía y los recursos en general se
degradan y debemos también aprender y enseñar a juzgar qué sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemáticamente los diseños y reducir el consumo per capita.
Además, debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar daños al ambiente. Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
más pobremente que el mundo desarrollado actual.
Una contabilidad sistemática de los recursos naturales que se están consumiendo sería
una herramienta clave para que tomáramos una consciencia global del problema. Y en
esta tarea la Termoeconomía jugaría un papel clave.

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7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 Termoeconomía y Optimización Energética — OCW UPM,ocw.upm.es › Explotación de
Minas.
 La termoeconomía como alternativa para mejorar la competitividad,
www.bdigital.unal.edu.co/46673/1/08941073.2015.pdf
 JR Silva Larrotta,aplicaciones termoeconómicas del método ... -
PublicationsList.orgpublicationslist.org/.../Aplicaciones%20termoeconomicas%20del%
20metodo%20exer.
 Termoeconomía,https://zaguan.unizar.es/record/45719/files/guia.pdf
 Analisis termoeconomico - ResearchGate, https:// www.researchgate.net/ profile/...
/0c960520b5ead8d544000000.pdf
 MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla: Termoeconomía de Sistemas Energ,
www.us.es /estudios/grados/plan_221/asignatura_2210057
 Fundamentos de termodinámica técnica, https:// books.google.com.pe/ books?isbn=
8429143130
 Michael J. Moran, Howard N. Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia,
la termoeconomía, https: // www.ehu.eus/.../helburuak-gaitasunak?...
 La Termoeconomía en plantas energéticas.www.scielo.cl/pdf/infotec/v21n4/art06.pdf

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