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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO 
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN ENERGÍA 
TERMODINÁMICA I 
TEMA: DISPONIBILIDAD Y 
REVERSIBILIDAD 
Profesor: 
Ing. JOSÉ TEZÉN CAMPOS 
Integrantes: 
CASTILLO MOROTE ÁLVARO MIGUEL 092999K 
POMACAJA FRANCO JHONEL JESÚS 
SOTELO FARFÁN VICTOR JOAQUIN 101108B 
VERGARAY MIRANDA AXEL DARÍO 
BELLAVISTA – CALLAO 
2014
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
SUMARIO 
1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... .............................................................................. ...................2 
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.......................................................................................................................................................................3 
3. OBJETIVOS ....................................................................................................................................................................................................................3 
4. MARCO TEÓRICO................................................................................ .....................................................................................................................4 
4.1 EXERGÍA Y ANERGÍA ............................................................................................................................................................7 
4.2 ESTADO MUERTO ...................................................................................................................................................................8 
4.3 IRREVERSIBILIDAD.......................................................... ............................................................9 
5. DEDUCCION DE LA EXPRESIÓN ........................................................................................... .................................................................................9 
6. LEY DE PÉRDIDA DE EXERGÍA ....................................................................................... .......................................................................................10 
6.1. FORMULACIÓN ........................................................................................................................11 
7. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN Y DETRUCCIÓN DE LA EXERGÍA ................................................................................. .............................11 
7.1. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN.................................................................................................11 
7.2. PRINCIPIO DE DESTRUCCIÓN:...............................................................................................12 
8. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO ............................................................................................................................................ ....................13 
8.1. PRIMERA FUNCION GOUY O DARRIEUS .............................................................................13 
8.2. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO A TO .........................................................................14 
9. EXERGÍA DE UN SISTEMA ABIERTO ........................................................................................................................ ............................................15 
9.1. SEGUNDA FUNCION GOUY O DARRIEUS ............................................................................15 
10. EXERGÍA DEL CALOR ......................................................................................... ............................................................... ..................................16 
11. BALANCE EXERGÉTICO......................................................................................................................................................................................16 
11.1. BALANCE EN SISTEMAS CERRADOS ....................................................................................17 
11.2. BALANCE EN SISTEMAS ABIERTOS.......................................................................................17 
12. EFICIENCIA EXERGÉTICA ................................................................................................................... ...............................................................18 
12.1. EFICIENCIA PARA MÁQUINAS TÉRMICAS: ..........................................................................20 
12.2. EFICIENCIA PARA REFRIGERADORES O BOMBAS DE CALOR: .......................................20 
12.3. RENDIMIENTO EXERGÉTICO PARA UN CICLO IRREVERSIBLE DE CARNOT ...............21 
13. TRANSFERENCIA DE EXERGÍA ....................................................................................................................... .................................................22 
13.1. EXERGÍA TRANSPORTADA POR MASA ..................................................................................22 
13.2. EXERGÍA TRANSFERIDA POR CALOR Y TRABAJO .............................................................23 
14. CONCLUSIONES ...................................................................................................................................................................................................25 
15. REFERENCIAS .................................................................................................................................................................................................... .....26 
16. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................................................................................. ......27 
PÁGINAS WEB ..........................................................................................................................................................................................................27 
17. ANEXOS: REPRESENTACIONES GRÁFICAS Y DIAGRAMAS DE EXERGÍA..........................................................................................28 
1
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
1. RESUMEN 
Muchas formas de energía y transformaciones de energía intervienen en un proceso. Aunque todas obedecen la primera 
ley de la termodinámica, diferencias se asoman en el tratamiento práctico y teórico de varios tipos de energía y 
transformaciones de energía debido a la segunda ley de la termodinámica. La segunda da ley es importante para la 
definición de eficiencia así como la correcta cuanti ficación de las diferentes formas de energía que pueden ser 
trans formadas en trabajo. 
Los tipos de energía se dividen en dos grupos de acuerdo a la posibilidad de ser convertidas en otros tipos . La clasificación 
de formas de energía es un problema físico, aquí se hace en base a la entropía, utilizada como una medida de las 
transformaciones de energía. El primer grupo se compone de las formas de energía que pueden transformarse en otras sin 
ningún límite y el segundo es de aquellas que no pueden transformarse completamente. 
Las entropías del primer grupo son igual a cero. Y este tipo de energía es considerada como “energía ordenada”. La 
entrada o salida de calor a un cuerpo no cambia este tipo de energía. 
La energía del segundo grupo no tiene entropía cero, y se conoce como “energía desordenada ”. La energía desordenada 
a diferencia de la ordenada es alterada con entradas o salidas de calor. La segunda ley de la termodinámica permite 
transformaciones donde halla incremento de entropía o no haya cambiado (reversibilidad). Por ello todas las formas de 
energía ordenadas se pueden converti r en otra forma por tener entropía cero, mientras que las energías desordenadas no 
se pueden converti r en otras formas que tengan menor entropía, y en particular no pueden transformarse en energía 
ordenadas. 
La medida general de cualquier tipo de energía es llamada exergía. Este concepto nos permi te expresar cualquier tipo de 
energía es llamada exergía. Este concepto nos permi te expresar cualquier forma de energía del segundo grupo en términos 
de energía del primer grupo. [1] 
ABSTRAC: 
Energy types are divided into two groups according to the possibility of being converted into other. The 
classification of forms of energy is a physical problem, here is made based on entropy, used as a measure 
of energy transformations. The first group consists of forms of energy that can be transformed into other 
without limit and the second is for those who can not fully transformed. 
The entropies of the first group are zero. And this energy is considered "ordered energy". The input or 
output of heat to a body does not change this energy. 
The energy of the second group has zero entropy, and is known as "disordered energy". The disordered 
energy unlike the ordinate is altered with heat inputs or outputs. The second law of thermodynamics 
allows transformations where entropy is increased or did not change (reversibility). Therefore all forms of 
ordered energy can be converted to another form by having zero entropy, while the disordered energy 
can not be converted into other forms that have lower entropy, and in particular can not be transformed 
into ordered energy. 
The overall measure of any kind of energy is called exergy. This concept allows us to express any kind of 
energy is called exergy. This concept allows us to express any form of energy in the second group in terms 
of energy the first group. 
2
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 
En el mundo , existe desde hace tiempo un gran temor por los elevados costos sociales y 
medioambientales asociados a la energía. A causa de estos problemas que están afectando al medio 
ambiente ha crecido el interés y la preocupación por buscar e implementar nuevas tendencias apuntadas 
hacia el desarrollo de productos, procesos y tecnologías que generen un impacto ambiental reducido, 
como el ahorro de energía, la reducción de emisiones, el tratamiento de efluentes, entre otras. 
Sin embargo, para el caso de los procesos de producción ya establecidos, las alternativas son aplicar 
estudios para contabilizar los posibles impactos al medio ambiente e identificar soluciones viables que 
permitan enmarcar los procesos dentro de un sistema de desarrollo sostenible. 
Hoy día, son pocos los estudios que se han hecho relacionados con el análisis exergético en la industria, 
por lo tanto, no es posible encontrar gran cantidad de material bibliográfico. 
Es por eso que se vio la oportunidad de realizar un análisis de la exergía. Se denomina “exergía” a la 
cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil, entendiendo por útil el que no se 
emplea en actuar contra el ambiente, conociendo esto se puede optimizar el trabajo ; reduciendo los 
costos para la empresa y por lo tanto al consumidor. 
3. OBJETIVOS 
3.1 OBJETIVO GENERAL: 
Explicar de forma detallada la reversibilidad y disponibilidad de la energía, en forma de máquinas 
térmicas para optimizar el trabajo. 
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 
 Describir una metodología detallada para el desarrollo del análisis exergético del proceso 
termodinámico. 
 Realizar el análisis exergético en cada tipo de máquina térmico. 
 Identificar y cuantificar considerables pérdidas de energia. 
 Proponer recomendaciones que permitan un mejor uso de la energía de modo que el proceso de 
producción de la planta sea más eficiente y económico. 
3
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
4. MARCO TEÓRICO 
CONCEPTOS BASICOS 
Energía 
El término energía (del griego ἐνέργεια [enérgueia], ‘actividad’, ‘operación’; de ἐνεργóς [energós], 
‘fuerza de acción’ o ‘fuerza trabajando’) tiene diversa s acepciones y definiciones, relacionadas con la idea 
de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. 
En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. 
Exergía 
La exergía es una medida de la disponibilidad de la energía. La idea es que parte de la energía de un 
sistema se puede aprovechar para realizar trabajo mecánico, eléctrico o de otro tipo. El segundo 
principio de la termodinámica nos establece limitaciones en cuanto a la cantidad de trabajo que 
podemos realizar. Pero existe además una limitación práctica en cuanto a que sólo se puede realizar 
trabajo si el sistema almacena una energía respecto al ambiente que le rodea. 
Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Este agua puede emplearse 
para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que todo el agua ha bajado al nivel del 
mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un límite en la energía disponible asociado a la diferencia 
de altura entre el agua del embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más 
energía disponible. 
Supongamos un recipiente que contiene un gas a alta presión y alta temperatura. Si hacemos un orificio 
en el recipiente y dejamos que salga el aire a la atmósfera, perdemos toda la energía disponible, ya que 
rápidamente su presión se iguala a la atmosférica y en poco tiempo su temperatura se iguala la del aire 
que lo rodea. Hemos desperdiciado toda la energía disponible o exergía. 
Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil, 
entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente. 
La exergía se consume por completo cuando la presión y la temperatura (y el resto de variables de 
estado como la altura sobre el nivel del mar, el voltaje, etc. que lo diferencian de lo que le rodea) se 
igualan a la del entorno. Una vez que se iguala la temperatura del sistema con la del ambiente 
(alcanzándose el equilibrio térmico) y se iguala su presión con la exterior (llegándose al equilibrio 
mecánico), ya no se puede extraer energía adicional. Se dice que en ese caso el sistema ha alcanzado el 
“estado muerto”. 
4
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
Entropía (Anergia) 
Etimológicamente “entropía”, asociada a la termodinámica, surgió como palabra acuñada del griego, 
de em (en: en, sobre, cerca de...) y sqopg (tropêe: mudanza, giro, alternativa, cambio, evolución). 
La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas 
físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro y 
tiene sus propias leyes. 
Uno de los soportes fundamentales de la Segunda Ley de la Termodinámica es la función 
denominada entropía que sirve para medir el grado de desorden dentro de un proceso y permite 
distinguir la energía útil, que es la que se convierte en su totalidad en trabajo, de la inútil, que se pierde 
en el medio ambiente. 
Este desorden se grafica en la mayor o menor producción de energía disponible o no disponible, y sobre 
esta base, también podemos definir la entropía como el índice de la cantidad de energía no disponible en 
un sistema termodinámico dado en un momento de su evolución. 
Según esta definición, en termodinámica hay que distinguir entre energía disponible o libre, que puede 
ser transformada en trabajo y energía no disponible o limitada, que no puede ser transformada en él. 
Para comprender conceptualmente lo dicho, analicemos el ejemplo de un reloj de arena, que es un 
sistema cerrado en el que no entra ni sale arena. 
La cantidad de arena en el reloj es constante; la arena ni se crea ni se destruye en ese reloj. Esta es la 
analogía de la primera ley de la termodinámica: no hay creación ni destrucción de la materia-energía. 
Aunque la cantidad de arena en el reloj es constante, su distribución cualitativa está constantemente 
cambiando: la cavidad inferior se va llenando, mientras la cavidad superior se vacía. Esta es la analogía 
de la segunda ley de la termodinámica, en la que la entropía (que es la arena de la cavidad inferior) 
aumenta constantemente. 
La arena de la cavidad superior (la menor entropía) es capaz de hacer un trabajo mientras cae, como el 
agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su 
capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede 
reciclarse, a menos que se emplee más energía en ese reciclaje que la que será desarrollada por la 
cantidad reciclada 
5
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
Energía disponible: 
Energía disponible es aquella parte del contenido energético total que potencialmente puede 
transformarse en trabajo útil. 
Esta energía puede calcularse permitiendo que la sustancia efectúe un cambio de estado reversible hasta 
alcanzar equilibrio termodinámico con el medio ambiente que se encuentra a P0 y T0. En la práctica, al 
medio ambiente se le designa como depósito estándar para determinar la energía disponible del sistema. 
Cuando el cambio de estado reversible se lleva a cabo en sistema cerrado, de la primera ley se tiene que: 
δq = du + δw 
De la segunda ley se sabe que: 
ds(sistema) + ds(alrededores) = 0 ⇒ ds(alrededores) = – ds(sistema) 
ds(alrededores 
) = 
– dq(sistema) / 
T(alrededores) 
Combinando las ecuaciones anteriores se tiene que: 
T(alred) ds(stma) = du + δw(máx) 
Se trata de δw(máx) por ser un proceso reversible, luego: 
δw(máx) = T(alred) ds – du 
Si los alrededores son el medio ambiente: 
δw(máx) = T0 ds – du Entonces el trabajo máximo queda dado por 
w(máx) = (u – T0 s) – (u0 – T0 s0) 
Donde T0, s0, u0 son las propiedades del sistema cuando se encuentra en equilibrio con el medio ambiente 
y w(máx) es el máximo trabajo que puede realizar un sistema hasta alcanzar equilibrio con el ambiente. 
Se debe tener en cuenta que parte de este trabajo máximo se realiza contra el medio ambiente y por 
tanto no resulta útil. Este trabajo contra el ambiente está dado por P0 (v0 – v), entonces el trabajo 
máximo útil es 
w(máx, útil) = w(máx) – P0 (v0 – v) 
w(máx, útil) = (u + P0 v – T0 s) – (u0 + P0 v0 – T0 s0) [2] 
6
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
4.1. ¿QUÉ ES LA EXERGÍA? 
La exergía es una medida de la disponibilidad de la energía. La idea es que parte de la 
energía de un sistema se puede aprovechar para realizar trabajo mecánico, eléctrico o 
de otro tipo. El segundo principio de la termodinámica nos establece limitaciones en 
cuanto a la cantidad de trabajo que podemos realizar. Pero existe además una 
limitación práctica en cuanto a que sólo se puede realizar trabajo si el sistema 
almacena una energía respecto al ambiente que le rodea. 
Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Esta agua 
puede emplearse para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que 
toda el agua ha bajado al nivel del mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un 
límite en la energía disponible asociado a la diferencia de altura entre el agua del 
embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más energía 
disponible. 
Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en 
trabajo útil, entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente. 
7
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
.4.2. ESTADO MUERTO 
El potencial de trabajo de la energía o exergía está asociado al desequilibrio entre un 
sistema y sus alrededores, es decir que depende de dos sistemas como mínimo. Con 
un ejemplo lo aclararemos. Vamos a suponer que tenemos una lámina metálica que se 
encuentra a 70 °C, y la sumergimos en agua a 3 °C (es decir mucho más fría), en este 
caso como el desequilibrio térmico es grande, el nivel de exergía será mayor que si 
sumergimos la lámina en agua a 70°C en cuyo caso la temperatura del sistema 
(lámina metálica) y su entorno (agua) es la misma (70°C), por lo que no pasaría nada. 
Este estado se denomina estado muerto ya que tenemos cero exergía y máxima 
entropía. 
AMBIENTE 
Es caracterizado porque sus parámetros permanecen sin cambios durante la interacción con 
el sistema bajo consideración. Esto quiere decir, que el ambiente es muy grande en 
comparación al sistema y puede amortiguar toda la energía dada a él sistema, de tal forma 
que su propio balance de energía permanece sin cambio. También existe completo equilibrio 
termodinámico entre todos los componentes. 
8
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
El estado muerto se refiere al estado del que nos es imposible extraer trabajo de un 
sistema y este depende del medio ambiente que le rodea. Podemos concluir que un 
sistema entrega el máximo trabajo posible cuando experimenta un proceso reversible, 
desde el estado inicial especificado hasta el estado del ambiente que lo rodea, es decir 
el estado muerto. Esto representa el potencial de trabajo útil del sistema en el estado 
especificado y se conoce como exergía. 
4.3. IRREVERSIBILIDAD 
Partiendo de la definición de trabajo reversible Wrev que es la cantidad máxima de 
trabajo útil que puede generarse (o el trabajo mínimo que debe suministrarse) en un 
sistema cuando éste experimenta un proceso entre dos estados definidos (inicial y 
final). Este trabajo máximo (o mínimo) se obtiene cuando el proceso entre los dos 
estados es totalmente reversible. Se le llama Irreversibilidad I, a la diferencia entre el 
trabajo reversible Wrev y el trabajo útil Wu durante un proceso entre dos estados 
definidos; y es equivalente a la exergía destruida y se expresa así: 
La exergía destruida representa el potencial de trabajo perdido o desperdiciado. 
5. DEDUCCION DE LA EXPRESIÓN 
Tenemos el trabajo útil: 
Pero, por el primer principio de la termodinámica el calor y el trabajo que salen 
equivale a la disminución de la energía total 
9
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
Siendo E la energía total suma de cinética, potencial e interna. Queda entonces 
El segundo miembro de esta ecuación es el diferencial de una función de estado, ya 
que se trata de una combinación de tres diferenciales de funciones de estado 
multiplicadas por constantes. Por tanto, podemos escribir esto como una diferencial 
exacta (con “d” en vez de con “δ”). Puesto que estamos interesados en el máximo 
trabajo que puede realizar el sistema y no el que se puede realizar sobre él, 
cambiamos el signo y escribimos 
Donde X es la función de estado que denominamos exergía. 
Integrando entre el estado inicial (que indicamos sin subíndices) y el estado final, que 
corresponde al estado muerto en el que la temperatura y la presión son iguales a la 
exterior (con subíndice 0) nos queda 
Resumiendo: [3] 
6. LEY DE PÉRDIDA DE EXERGÍA 
El Teorema de Gouy-Stodola (denominada también como ley de pérdida de exergía) 
es un teorema empleado en termodinámica para describir la cantidad de energía no 
disponible que tiene lugar en un sistema termodinámico. 
10
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
6.1. Formulación 
La ley establece que la destrucción de exergía es proporcional al producto de 
la temperatura de referencia ( ) por la generación de entropía dentro del sistema ( 
). La expresión formal de la energía no disponible se suele expresarse como: . El 
valor de esta destrucción de energía se expresa mediante la ecuación: 
Esta ecuación muestra que un proceso termodinámicamente eficiente debe tener una 
mínima generación de entropía. es una propiedad intensiva que permite en caso de 
existir varios sistemas con generación de entropía ( ), pueda calcularse la exergía 
perdida total mediante suma de las partes: 
7. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN Y DETRUCCIÓN DE LA EXERGÍA 
7.1. Principio de Disminución 
El principio de disminución de la exergía sostiene que la exergía de un sistema aislado 
(recuerde que ni calor, ni trabajo, ni masa pueden cruzar sus fronteras) durante un 
proceso siempre decrece o, en el caso límite de un proceso reversible, permanece 
constante. Esto se expresa así: 
Las irreversibilidades como la fricción, las reacciones químicas, la transferencia de 
calor debida una diferencia finita de temperaturas, la expansión libre, las mezclas, 
siempre generan entropía, en consecuencia siempre se destruye la exergía. Por ello la 
exergía destruida en proporcional a la entropía generada: 
El principio de disminución de la exergía puede resumirse así 
11
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
7.2. Principio de Destrucción: 
Describiremos algunos mecanismos de destrucción de la exergía. 
 Destrucción de la exergía debido a la transferencia de calor a través de 
una pared. 
La misma cantidad de calor fluye a 
través del sistema desde el reservorio 
de la izquierda hacia el de la derecha. 
Sin embargo, como la temperatura del 
reservorio de la derecha es menor, la 
exergía transferida por su exergía es 
menor. Podemos concluir que la 
generación de entropía debido a la 
transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura es la causa de la 
destrucción de exergía. 
 Destrucción de la exergía debido a la fricción. 
La exergía es destruida 
espontáneamente por la 
fricción. En la imagen 
mostrada el trabajo transferido 
al sistema a través del eje 
debe ser igual al calor 
rechazado hacia la atmosfera, 
sin embargo ya que el calor n 
transporta exergía a través de 
la frontera externa (se 
encuentra a la temperatura de la atmosfera), la única forma para que la exergía del 
sistema pueda permanecer constante es la destrucción de la exergía. 
12
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
 Destrucción de la exergía debido al calentamiento por resistencia 
eléctrica. 
La exergía es destruida 
espontáneamente por la 
electricidad que pasa a través 
de una resistencia. En la 
imagen mostrada el trabajo 
eléctrico transferido al sistema 
debe ser igual al calor 
rechazado hacia la atmosfera, 
sin embargo ya que el calor no transporta exergía a través de la frontera externa (se 
encuentra a la temperatura de la atmosfera), la única forma para que la exergía del 
sistema pueda permanecer constante es la destrucción de la exergía. 
8. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO[4] 
8.1. Primera funcion Gouy o Darrieus 
13
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
8.2. Exergía de un sistema cerrado a To 
14
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
9. EXERGÍA DE UN SISTEMA ABIERTO[5] 
Es el máximo trabajo de circulación. 
9.1. Segunda funcion Gouy o Darrieus 
15
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
10. EXERGÍA DEL CALOR 
11. BALANCE EXERGÉTICO 
En realidad un balance de exergía no es más que la combinación de un balance de 
energía y de entropía, que derivan a su vez del primer y segundo principio de 
la termodinámica. No es por tanto un resultado independiente, pero puede utilizarse 
como formulación alternativa de la segunda ley de la termodinámica. 
Como alternativa al principio de incremento de entropía, se puede formular la segunda 
ley estableciendo que, los únicos procesos que puede experimentar un sistema 
aislado son aquellos en los que la exergía del sistema disminuye. 
El balance de exergía es un método de análisis muy útil a la hora de valorar el 
rendimiento energético de una instalación, nos da una visión más amplia que 
16
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
el rendimiento térmico. Permite valorar las pérdidas de energía en un proceso, la 
energía que sería aprovechable de flujos salientes en sistemas abiertos y las ventajas 
de métodos regenerativos en instalaciones térmicas. 
11.1. Balance en sistemas cerrados 
Un sistema cerrado puede interaccionar con el entorno mediante transferencias de 
energía en forma de calor o trabajo, que implican una transferencia de exergía entre el 
sistema y el entorno. Esta exergía transferida no coincide necesariamente con la 
variación de exergía del sistema, ya que la exergía también se destruye como 
consecuencia de la generación de entropía (todos los procesos reales con 
transferencia de energía en forma de calor conllevan, además de una transferencia de 
entropía, una generación de entropía debida a procesos irreversibles dentro del 
sistema. 
La variación de exergía del sistema cerrado es igual a la transferencia de exergía con 
el entorno, menos la destrucción de exergía , donde representa la generación 
de entropía, que por el segundo principio, no puede ser negativa. 
11.2. Balance en sistemas abiertos 
Para sistemas abiertos, en los que hay transferencia de masa, se maneja el concepto 
de exergía de flujo, que no es más que la exergía asociada a una corriente material 
que atraviesa un volumen de control determinado. Adaptando la expresión y utilizando 
magnitudes específicas (por unidad de masa) se tiene: 
Donde h, s, C, y z son entalpía, entropía, velocidad, altura del flujo 
respectivamente. son las propiedades evaluadas en el estado muerto. g 
es la aceleración de la gravedad. 
17
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
El balance de exergía en un sistema abierto como: 
Esto es, la variación de exergía acumulada dentro del sistema por unidad de tiempo es 
igual a: la transferencia de exergía asociada a la transmisión de 
energía en forma de calor, donde representa la velocidad de transferencia de calor 
a través de una parte de la frontera a temperatura ,menos la 
velocidad de intercambio de exergía por trabajo, excluyendo el trabajo de flujo, 
más es la transferencia de exergía asociada a la 
transferencia de masa entre el sistema y el entorno y menos la destrucción de 
exergía por unidad de tiempo causada por irreversibilidades internas del volumen de 
control. 
Que el término recuerde al rendimiento máximo calculado por 
Carnot en sus teoremas no es casualidad. Representa precisamente la potencialidad a 
la hora de obtener trabajo de focos térmicos a diferente temperatura. 
12. EFICIENCIA EXERGÉTICA[6] 
La Eficiencia de Segunda Ley es una medida del desempeño de un dispositivo real 
con relación a su desempeño en condiciones reversibles para los mismos estados 
inicial y final. 
Las siguientes imágenes describen la deferencia entre la eficiencia térmica y la 
eficiencia exergética (o eficiencia según la segunda ley) de una máquina térmica. 
18
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
Hasta el momento, al hacer referencia a la eficiencia siempre ha sido en términos energéticos, sin 
hacer distinción de la calidad de la energía producida o consumida. Una forma más apropiada de 
evaluar los procesos es en términos de la energía disponible consumida o producida ya que es la 
energía verdaderamente aprovechable. En esta sección se presentará la eficiencia exergética de 
procesos la cual se conoce también como eficiencia de segunda ley. En general, la eficiencia se 
puede definir como lo que se obtiene sobre lo que se paga: 
A diferencia de la eficiencia energética, la eficiencia exergética puede ser del ciento por ciento si el 
proceso de transformación al que se refiere se realiza de una manera completamente reversible (sin 
destrucción de exergía). 
Eficiencia de una máquina térmica: 
De acuerdo con el objetivo de una máquina térmica, que es obtener trabajo a partir de calor 
suministrado, y ya que todo el trabajo producido es, en este caso, energía disponible mientras que 
la fracción disponible del calor es 
Qc (1 – T0 /Tc) 
Entonces: 
19
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
Eficiencia de un refrigerador: 
El objetivo de un refrigerador es extraer calor para lograr una baja temperatura por medio de una 
máquina que consume trabajo. Al extraer calor de un depósito, este queda en capacidad de permitir 
la producción de trabajo mediante una máquina térmica reversible que recibe calor del ambiente y 
descarga en el depósito; luego, la eficiencia exergética es: 
Eficiencia de una bomba de calor: 
En este caso se desea mantener un recinto a una temperatura alta suministrándole calor extraído de 
un foco que se encuentra a menor temperatura mediante el empleo de trabajo mecánico. Al 
obtener un depósito caliente, se está en capacidad de producir trabajo mediante una máquina 
térmica reversible conectada entre este depósito y el ambiente. 
20
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
Eficiencias de bombas y compresores: 
En estos equipos la sustancia recibe energía mecánica para aumentar su exergía (representada en 
alta presión o incremento de energía potencial) 
Eficiencia de una turbina : 
En estos equipos se obtiene trabajo a expensas de una disminución de la exergía de la sustancia, 
luego 
Eficiencia de un intercambiador de calor: 
De acuerdo con el criterio de eficiencia exergética se podría definir para un intercambiador de calor 
En la práctica esta eficiencia no tiene mucho sentido, pues lo que interesa es la transferencia de 
calor para aumentar la energía de una sustancia. Sería más útil hacer referencia a una eficiencia 
energética. 
21
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
12.1. Eficiencia para Máquinas Térmicas: 
 Diagrama de Energía de una máquina térmica 
 Diagrama de Exergía 
12.2. Eficiencia para Refrigeradores o Bombas de Calor: 
 Diagrama de Energía 
22
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
 Diagrama de Exergía Refrigerador 
 Diagrama de Exergía Bomba de Calor 
12.3. Rendimiento Exergético para un ciclo irreversible de Carnot 
23
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
13. TRANSFERENCIA DE EXERGÍA[7] 
13.1. Exergía transportada por Masa 
13.2. Exergía transferida por Calor y Trabajo 
24
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
14. CONCLUSIONES 
 En el presente trabajo, se ha preferido dar la visión de la utilización de la exergía disponible en 
los procesos de utilización calórica mediante su transformación en trabajo mecánico, en lugar 
de su degradación inútil. 
 Como se indicó, cuando es posible superponer una máquina térmica entre el ingreso del 
combustible y la utilización calórica, la eficiencia marginal de la conversión de la energía 
térmica a trabajo mecánico es idealmente del 100%, y que el aumento de la eficiencia de tal 
máquina térmica permite obtener también mayores cantidades de trabajo con una eficiencia 
marginal ideal del 100%. 
 La posibilidad de obtención de estas cantidades de trabajo es similar a la disponibilidad que 
existe en un salto hidráulico que, de no ser aprovechado, se pierde irreversiblemente. Es 
indudable pues que, desde el punto de vista del uso racional de los recursos energéticos y del 
desarrollo sustentable se debe alentar en lo posible la implementación de estos sistemas, lo 
que implica un cambio importante de los conceptos y modalidades tradicionales. 
Se trata de una valorización de la exergía. 
 Desde el punto de vista ambiental, desplazando la generación térmica convencional, es una de 
las formas de reemplazar las prácticas convencionales por las que al menos son más 
sustentables que las actuales, y que en muchos casos puede ser de implementación inmediata. 
 Es posible manejar el concepto de exergía cualitativamente, entre otras cosas para depurar el 
lenguaje cotidiano, de manera que se hable propiamente de consumo de exergía y de 
conservación de energía, y no de ``consumo de energía''. En el mismo sentido, se suele definir 
a la energía como la ``capacidad para hacer trabajo''; pero de lo expuesto hasta aquí deberá 
quedar claro que ésta es una propiedad exclusiva de la exergía y no de la energía. Un ejemplo 
sencillo sirve para enfatizar lo anterior: considérese un gas encerrado en una delas mitades de 
un recipiente aislado del exterior, estando la otra mitad vacía. Si la pared de separación entre el 
gas y la otra mitad vacía se quita, el gas se expandirá hasta ocupar el espacio completo, siendo 
su energía final igual a la inicial. 
25
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
15. REFERENCIAS 
1. Agencia Andaluza de la Energía, consejería de innovación ciencia y empresa 
Energía solar fotovoltaica general, 2008. p. 1-32 
2. ALGOR, Energía 2010 foro nuclear; Junio 2010. p. 19-37 53-93 195-216 
3. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Eólica; FOCER. Septiembre 
2002. p. 6-21 
4. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Hidráulica a pequeña escala. 
FOCER. Septiembre 2002. p. 6-22 
5. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica; FOCER. 
Septiembre 2002.p. 8-27 
6. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Solar térmica. FOCER. Septiembre 2002. 
p. 6-25 
7. Carnevale, F.; Energía Mareomotriz. Instituto Balseiro, Universidad Nacional de 
Cuyo. Mayo 2008, p. 2-10 
8. Flórez-Orrego, Daniel; Silva Ortiz, Pablo. (2013). Exergia, Conceptualización y 
Aplicación. Escuela Politécnica de la Universidad de Sao Paulo. 
*El trabajo presentado es una recopilación de las monografías mostradas en las referencias y unido a 
nuestra propia fuente de información (autoría).* 
26
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
16. BIBLIOGRAFÍA 
 Cengel, Y. A., & Boles, M. A.(2009). Termodinámica (6a ed.). McGraw-Hill. 
 Dincer, I., & Kanoglu, M. (2010). Refrigeration Systems And Applications (2th ed.). 
John Wiley and Sons, Ltd. 
 Dossat, R. J. (1998). Principios de refrigeración. CECSA. 
 Geurts, M. (2005). Properties of Refrigerant 22 (chlorodifluoromethane). Recuperado el 18 de 
agosto de 2011 del sitio web de Industrial RefrigeratioConsortium:http://www.irc.wisc.edu.html 
 Pita, E. G. Acondicionamiento de aire, principios y sistemas (2a ed.). CECSA. 
 Witman, W. C., & Johnson, W. M. Tecnología de la refrigeración y aire acondicionado, 
refrigeración comercial.( Para info.s.f.). 
PÁGINAS WEB 
 Obtenido de http://www.emersonclimatemexico.com/home 
 http://www.academia.edu/3315176/Exergia_Conceituacao_e_Aplicacao 
 http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/c03/Exergia.pdf 
 http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/gnavascu/TERMOTECNIA_10_11/7_ 
TERMOT_EXERGIA_2010_11.pdf 
 http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Modulos/Modulo4.pdf 
 http://es.wikipedia.org/wiki/Exerg%C3%ADa 
 http://www.smf.mx/boletin/Abr-98/ense/exer.html 
 http://termoweb.comyr.com/exergia.html 
 http://iqtma.uva.es/termoap/analisis_de_procesos.pdf 
 http://laplace.us.es/wiki/index.php/Introducci%C3%B3n_a_la_exerg%C3%ADa 
 http://gpinch.sourceforge.net/pinch/node57.html 
 http://ing.unne.edu.ar/pub/termodinamica/e2010.pdf 
27
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
17. ANEXOS: REPRESENTACIONES GRÁFICAS Y DIAGRAMAS DE EXERGÍA[8] 
En el análisis de exergía, el uso de los diagramas es particularmente útil, entre otras 
aplicaciones, para obtener y calcular las propiedades termodinámicas, así como otras 
cantidades tales como el calor (Q) y de trabajo (W) en relación con un proceso, o bien 
para la representación Un procesos y ciclo de conversión de energía. Entonces SAOA 
presentados algunos de estos diagramas. 
En el diagrama de "entalpía exergía física", la representación de líneas vapor de 
líquido saturado y depende de la localización del estado de punto muerto restringido, 
es decir, (PO,TO) 
Si este punto se encuentra en la región de líquido comprimido (se aplica a sustancias 
tales como el agua, el amoníaco y algunos refrigerantes fluorados) o en la región de 
vapor sobrecalentado, los diagramas correspondientes se muestran en la siguientes 
tablas. 
Un diagrama de uso común en el análisis de exergía de los procesos es el diagrama 
de Grassmann, que es una representación analógica del diagrama de Sankey, este 
último generalmente empleado en el análisis de los procesos energéticos. En este tipo 
de diagrama, que representa que las proporciones relativas (relacionados con las 
anchuras de barras) de diferentes flujos de exergía en el proceso de conversión de 
energía. 
28
DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 
PLANTA DE COGENERACIÓN SIMPLIFICADA 
Por ejemplo, mientras que en la primera diagrama energía se conserva en la caldera 
en el segundo diagrama de exergía se destruye cuando se trata de un intercambio de 
calor altamenteirreversível proceso con diferencia de temperatura finita, y las 
reacciones de combustión. 
29
Este trabajo está dedicado a nuestros 
padres y a todas las personas que nos 
apoyan a lograr nuestras metas

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Exergia final

  • 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN ENERGÍA TERMODINÁMICA I TEMA: DISPONIBILIDAD Y REVERSIBILIDAD Profesor: Ing. JOSÉ TEZÉN CAMPOS Integrantes: CASTILLO MOROTE ÁLVARO MIGUEL 092999K POMACAJA FRANCO JHONEL JESÚS SOTELO FARFÁN VICTOR JOAQUIN 101108B VERGARAY MIRANDA AXEL DARÍO BELLAVISTA – CALLAO 2014
  • 2. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD SUMARIO 1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... .............................................................................. ...................2 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.......................................................................................................................................................................3 3. OBJETIVOS ....................................................................................................................................................................................................................3 4. MARCO TEÓRICO................................................................................ .....................................................................................................................4 4.1 EXERGÍA Y ANERGÍA ............................................................................................................................................................7 4.2 ESTADO MUERTO ...................................................................................................................................................................8 4.3 IRREVERSIBILIDAD.......................................................... ............................................................9 5. DEDUCCION DE LA EXPRESIÓN ........................................................................................... .................................................................................9 6. LEY DE PÉRDIDA DE EXERGÍA ....................................................................................... .......................................................................................10 6.1. FORMULACIÓN ........................................................................................................................11 7. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN Y DETRUCCIÓN DE LA EXERGÍA ................................................................................. .............................11 7.1. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN.................................................................................................11 7.2. PRINCIPIO DE DESTRUCCIÓN:...............................................................................................12 8. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO ............................................................................................................................................ ....................13 8.1. PRIMERA FUNCION GOUY O DARRIEUS .............................................................................13 8.2. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO A TO .........................................................................14 9. EXERGÍA DE UN SISTEMA ABIERTO ........................................................................................................................ ............................................15 9.1. SEGUNDA FUNCION GOUY O DARRIEUS ............................................................................15 10. EXERGÍA DEL CALOR ......................................................................................... ............................................................... ..................................16 11. BALANCE EXERGÉTICO......................................................................................................................................................................................16 11.1. BALANCE EN SISTEMAS CERRADOS ....................................................................................17 11.2. BALANCE EN SISTEMAS ABIERTOS.......................................................................................17 12. EFICIENCIA EXERGÉTICA ................................................................................................................... ...............................................................18 12.1. EFICIENCIA PARA MÁQUINAS TÉRMICAS: ..........................................................................20 12.2. EFICIENCIA PARA REFRIGERADORES O BOMBAS DE CALOR: .......................................20 12.3. RENDIMIENTO EXERGÉTICO PARA UN CICLO IRREVERSIBLE DE CARNOT ...............21 13. TRANSFERENCIA DE EXERGÍA ....................................................................................................................... .................................................22 13.1. EXERGÍA TRANSPORTADA POR MASA ..................................................................................22 13.2. EXERGÍA TRANSFERIDA POR CALOR Y TRABAJO .............................................................23 14. CONCLUSIONES ...................................................................................................................................................................................................25 15. REFERENCIAS .................................................................................................................................................................................................... .....26 16. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................................................................................. ......27 PÁGINAS WEB ..........................................................................................................................................................................................................27 17. ANEXOS: REPRESENTACIONES GRÁFICAS Y DIAGRAMAS DE EXERGÍA..........................................................................................28 1
  • 3. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 1. RESUMEN Muchas formas de energía y transformaciones de energía intervienen en un proceso. Aunque todas obedecen la primera ley de la termodinámica, diferencias se asoman en el tratamiento práctico y teórico de varios tipos de energía y transformaciones de energía debido a la segunda ley de la termodinámica. La segunda da ley es importante para la definición de eficiencia así como la correcta cuanti ficación de las diferentes formas de energía que pueden ser trans formadas en trabajo. Los tipos de energía se dividen en dos grupos de acuerdo a la posibilidad de ser convertidas en otros tipos . La clasificación de formas de energía es un problema físico, aquí se hace en base a la entropía, utilizada como una medida de las transformaciones de energía. El primer grupo se compone de las formas de energía que pueden transformarse en otras sin ningún límite y el segundo es de aquellas que no pueden transformarse completamente. Las entropías del primer grupo son igual a cero. Y este tipo de energía es considerada como “energía ordenada”. La entrada o salida de calor a un cuerpo no cambia este tipo de energía. La energía del segundo grupo no tiene entropía cero, y se conoce como “energía desordenada ”. La energía desordenada a diferencia de la ordenada es alterada con entradas o salidas de calor. La segunda ley de la termodinámica permite transformaciones donde halla incremento de entropía o no haya cambiado (reversibilidad). Por ello todas las formas de energía ordenadas se pueden converti r en otra forma por tener entropía cero, mientras que las energías desordenadas no se pueden converti r en otras formas que tengan menor entropía, y en particular no pueden transformarse en energía ordenadas. La medida general de cualquier tipo de energía es llamada exergía. Este concepto nos permi te expresar cualquier tipo de energía es llamada exergía. Este concepto nos permi te expresar cualquier forma de energía del segundo grupo en términos de energía del primer grupo. [1] ABSTRAC: Energy types are divided into two groups according to the possibility of being converted into other. The classification of forms of energy is a physical problem, here is made based on entropy, used as a measure of energy transformations. The first group consists of forms of energy that can be transformed into other without limit and the second is for those who can not fully transformed. The entropies of the first group are zero. And this energy is considered "ordered energy". The input or output of heat to a body does not change this energy. The energy of the second group has zero entropy, and is known as "disordered energy". The disordered energy unlike the ordinate is altered with heat inputs or outputs. The second law of thermodynamics allows transformations where entropy is increased or did not change (reversibility). Therefore all forms of ordered energy can be converted to another form by having zero entropy, while the disordered energy can not be converted into other forms that have lower entropy, and in particular can not be transformed into ordered energy. The overall measure of any kind of energy is called exergy. This concept allows us to express any kind of energy is called exergy. This concept allows us to express any form of energy in the second group in terms of energy the first group. 2
  • 4. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En el mundo , existe desde hace tiempo un gran temor por los elevados costos sociales y medioambientales asociados a la energía. A causa de estos problemas que están afectando al medio ambiente ha crecido el interés y la preocupación por buscar e implementar nuevas tendencias apuntadas hacia el desarrollo de productos, procesos y tecnologías que generen un impacto ambiental reducido, como el ahorro de energía, la reducción de emisiones, el tratamiento de efluentes, entre otras. Sin embargo, para el caso de los procesos de producción ya establecidos, las alternativas son aplicar estudios para contabilizar los posibles impactos al medio ambiente e identificar soluciones viables que permitan enmarcar los procesos dentro de un sistema de desarrollo sostenible. Hoy día, son pocos los estudios que se han hecho relacionados con el análisis exergético en la industria, por lo tanto, no es posible encontrar gran cantidad de material bibliográfico. Es por eso que se vio la oportunidad de realizar un análisis de la exergía. Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil, entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente, conociendo esto se puede optimizar el trabajo ; reduciendo los costos para la empresa y por lo tanto al consumidor. 3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL: Explicar de forma detallada la reversibilidad y disponibilidad de la energía, en forma de máquinas térmicas para optimizar el trabajo. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:  Describir una metodología detallada para el desarrollo del análisis exergético del proceso termodinámico.  Realizar el análisis exergético en cada tipo de máquina térmico.  Identificar y cuantificar considerables pérdidas de energia.  Proponer recomendaciones que permitan un mejor uso de la energía de modo que el proceso de producción de la planta sea más eficiente y económico. 3
  • 5. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 4. MARCO TEÓRICO CONCEPTOS BASICOS Energía El término energía (del griego ἐνέργεια [enérgueia], ‘actividad’, ‘operación’; de ἐνεργóς [energós], ‘fuerza de acción’ o ‘fuerza trabajando’) tiene diversa s acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. Exergía La exergía es una medida de la disponibilidad de la energía. La idea es que parte de la energía de un sistema se puede aprovechar para realizar trabajo mecánico, eléctrico o de otro tipo. El segundo principio de la termodinámica nos establece limitaciones en cuanto a la cantidad de trabajo que podemos realizar. Pero existe además una limitación práctica en cuanto a que sólo se puede realizar trabajo si el sistema almacena una energía respecto al ambiente que le rodea. Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Este agua puede emplearse para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que todo el agua ha bajado al nivel del mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un límite en la energía disponible asociado a la diferencia de altura entre el agua del embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más energía disponible. Supongamos un recipiente que contiene un gas a alta presión y alta temperatura. Si hacemos un orificio en el recipiente y dejamos que salga el aire a la atmósfera, perdemos toda la energía disponible, ya que rápidamente su presión se iguala a la atmosférica y en poco tiempo su temperatura se iguala la del aire que lo rodea. Hemos desperdiciado toda la energía disponible o exergía. Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil, entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente. La exergía se consume por completo cuando la presión y la temperatura (y el resto de variables de estado como la altura sobre el nivel del mar, el voltaje, etc. que lo diferencian de lo que le rodea) se igualan a la del entorno. Una vez que se iguala la temperatura del sistema con la del ambiente (alcanzándose el equilibrio térmico) y se iguala su presión con la exterior (llegándose al equilibrio mecánico), ya no se puede extraer energía adicional. Se dice que en ese caso el sistema ha alcanzado el “estado muerto”. 4
  • 6. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD Entropía (Anergia) Etimológicamente “entropía”, asociada a la termodinámica, surgió como palabra acuñada del griego, de em (en: en, sobre, cerca de...) y sqopg (tropêe: mudanza, giro, alternativa, cambio, evolución). La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro y tiene sus propias leyes. Uno de los soportes fundamentales de la Segunda Ley de la Termodinámica es la función denominada entropía que sirve para medir el grado de desorden dentro de un proceso y permite distinguir la energía útil, que es la que se convierte en su totalidad en trabajo, de la inútil, que se pierde en el medio ambiente. Este desorden se grafica en la mayor o menor producción de energía disponible o no disponible, y sobre esta base, también podemos definir la entropía como el índice de la cantidad de energía no disponible en un sistema termodinámico dado en un momento de su evolución. Según esta definición, en termodinámica hay que distinguir entre energía disponible o libre, que puede ser transformada en trabajo y energía no disponible o limitada, que no puede ser transformada en él. Para comprender conceptualmente lo dicho, analicemos el ejemplo de un reloj de arena, que es un sistema cerrado en el que no entra ni sale arena. La cantidad de arena en el reloj es constante; la arena ni se crea ni se destruye en ese reloj. Esta es la analogía de la primera ley de la termodinámica: no hay creación ni destrucción de la materia-energía. Aunque la cantidad de arena en el reloj es constante, su distribución cualitativa está constantemente cambiando: la cavidad inferior se va llenando, mientras la cavidad superior se vacía. Esta es la analogía de la segunda ley de la termodinámica, en la que la entropía (que es la arena de la cavidad inferior) aumenta constantemente. La arena de la cavidad superior (la menor entropía) es capaz de hacer un trabajo mientras cae, como el agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede reciclarse, a menos que se emplee más energía en ese reciclaje que la que será desarrollada por la cantidad reciclada 5
  • 7. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD Energía disponible: Energía disponible es aquella parte del contenido energético total que potencialmente puede transformarse en trabajo útil. Esta energía puede calcularse permitiendo que la sustancia efectúe un cambio de estado reversible hasta alcanzar equilibrio termodinámico con el medio ambiente que se encuentra a P0 y T0. En la práctica, al medio ambiente se le designa como depósito estándar para determinar la energía disponible del sistema. Cuando el cambio de estado reversible se lleva a cabo en sistema cerrado, de la primera ley se tiene que: δq = du + δw De la segunda ley se sabe que: ds(sistema) + ds(alrededores) = 0 ⇒ ds(alrededores) = – ds(sistema) ds(alrededores ) = – dq(sistema) / T(alrededores) Combinando las ecuaciones anteriores se tiene que: T(alred) ds(stma) = du + δw(máx) Se trata de δw(máx) por ser un proceso reversible, luego: δw(máx) = T(alred) ds – du Si los alrededores son el medio ambiente: δw(máx) = T0 ds – du Entonces el trabajo máximo queda dado por w(máx) = (u – T0 s) – (u0 – T0 s0) Donde T0, s0, u0 son las propiedades del sistema cuando se encuentra en equilibrio con el medio ambiente y w(máx) es el máximo trabajo que puede realizar un sistema hasta alcanzar equilibrio con el ambiente. Se debe tener en cuenta que parte de este trabajo máximo se realiza contra el medio ambiente y por tanto no resulta útil. Este trabajo contra el ambiente está dado por P0 (v0 – v), entonces el trabajo máximo útil es w(máx, útil) = w(máx) – P0 (v0 – v) w(máx, útil) = (u + P0 v – T0 s) – (u0 + P0 v0 – T0 s0) [2] 6
  • 8. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 4.1. ¿QUÉ ES LA EXERGÍA? La exergía es una medida de la disponibilidad de la energía. La idea es que parte de la energía de un sistema se puede aprovechar para realizar trabajo mecánico, eléctrico o de otro tipo. El segundo principio de la termodinámica nos establece limitaciones en cuanto a la cantidad de trabajo que podemos realizar. Pero existe además una limitación práctica en cuanto a que sólo se puede realizar trabajo si el sistema almacena una energía respecto al ambiente que le rodea. Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Esta agua puede emplearse para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que toda el agua ha bajado al nivel del mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un límite en la energía disponible asociado a la diferencia de altura entre el agua del embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más energía disponible. Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil, entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente. 7
  • 9. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD .4.2. ESTADO MUERTO El potencial de trabajo de la energía o exergía está asociado al desequilibrio entre un sistema y sus alrededores, es decir que depende de dos sistemas como mínimo. Con un ejemplo lo aclararemos. Vamos a suponer que tenemos una lámina metálica que se encuentra a 70 °C, y la sumergimos en agua a 3 °C (es decir mucho más fría), en este caso como el desequilibrio térmico es grande, el nivel de exergía será mayor que si sumergimos la lámina en agua a 70°C en cuyo caso la temperatura del sistema (lámina metálica) y su entorno (agua) es la misma (70°C), por lo que no pasaría nada. Este estado se denomina estado muerto ya que tenemos cero exergía y máxima entropía. AMBIENTE Es caracterizado porque sus parámetros permanecen sin cambios durante la interacción con el sistema bajo consideración. Esto quiere decir, que el ambiente es muy grande en comparación al sistema y puede amortiguar toda la energía dada a él sistema, de tal forma que su propio balance de energía permanece sin cambio. También existe completo equilibrio termodinámico entre todos los componentes. 8
  • 10. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD El estado muerto se refiere al estado del que nos es imposible extraer trabajo de un sistema y este depende del medio ambiente que le rodea. Podemos concluir que un sistema entrega el máximo trabajo posible cuando experimenta un proceso reversible, desde el estado inicial especificado hasta el estado del ambiente que lo rodea, es decir el estado muerto. Esto representa el potencial de trabajo útil del sistema en el estado especificado y se conoce como exergía. 4.3. IRREVERSIBILIDAD Partiendo de la definición de trabajo reversible Wrev que es la cantidad máxima de trabajo útil que puede generarse (o el trabajo mínimo que debe suministrarse) en un sistema cuando éste experimenta un proceso entre dos estados definidos (inicial y final). Este trabajo máximo (o mínimo) se obtiene cuando el proceso entre los dos estados es totalmente reversible. Se le llama Irreversibilidad I, a la diferencia entre el trabajo reversible Wrev y el trabajo útil Wu durante un proceso entre dos estados definidos; y es equivalente a la exergía destruida y se expresa así: La exergía destruida representa el potencial de trabajo perdido o desperdiciado. 5. DEDUCCION DE LA EXPRESIÓN Tenemos el trabajo útil: Pero, por el primer principio de la termodinámica el calor y el trabajo que salen equivale a la disminución de la energía total 9
  • 11. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD Siendo E la energía total suma de cinética, potencial e interna. Queda entonces El segundo miembro de esta ecuación es el diferencial de una función de estado, ya que se trata de una combinación de tres diferenciales de funciones de estado multiplicadas por constantes. Por tanto, podemos escribir esto como una diferencial exacta (con “d” en vez de con “δ”). Puesto que estamos interesados en el máximo trabajo que puede realizar el sistema y no el que se puede realizar sobre él, cambiamos el signo y escribimos Donde X es la función de estado que denominamos exergía. Integrando entre el estado inicial (que indicamos sin subíndices) y el estado final, que corresponde al estado muerto en el que la temperatura y la presión son iguales a la exterior (con subíndice 0) nos queda Resumiendo: [3] 6. LEY DE PÉRDIDA DE EXERGÍA El Teorema de Gouy-Stodola (denominada también como ley de pérdida de exergía) es un teorema empleado en termodinámica para describir la cantidad de energía no disponible que tiene lugar en un sistema termodinámico. 10
  • 12. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 6.1. Formulación La ley establece que la destrucción de exergía es proporcional al producto de la temperatura de referencia ( ) por la generación de entropía dentro del sistema ( ). La expresión formal de la energía no disponible se suele expresarse como: . El valor de esta destrucción de energía se expresa mediante la ecuación: Esta ecuación muestra que un proceso termodinámicamente eficiente debe tener una mínima generación de entropía. es una propiedad intensiva que permite en caso de existir varios sistemas con generación de entropía ( ), pueda calcularse la exergía perdida total mediante suma de las partes: 7. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN Y DETRUCCIÓN DE LA EXERGÍA 7.1. Principio de Disminución El principio de disminución de la exergía sostiene que la exergía de un sistema aislado (recuerde que ni calor, ni trabajo, ni masa pueden cruzar sus fronteras) durante un proceso siempre decrece o, en el caso límite de un proceso reversible, permanece constante. Esto se expresa así: Las irreversibilidades como la fricción, las reacciones químicas, la transferencia de calor debida una diferencia finita de temperaturas, la expansión libre, las mezclas, siempre generan entropía, en consecuencia siempre se destruye la exergía. Por ello la exergía destruida en proporcional a la entropía generada: El principio de disminución de la exergía puede resumirse así 11
  • 13. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 7.2. Principio de Destrucción: Describiremos algunos mecanismos de destrucción de la exergía.  Destrucción de la exergía debido a la transferencia de calor a través de una pared. La misma cantidad de calor fluye a través del sistema desde el reservorio de la izquierda hacia el de la derecha. Sin embargo, como la temperatura del reservorio de la derecha es menor, la exergía transferida por su exergía es menor. Podemos concluir que la generación de entropía debido a la transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura es la causa de la destrucción de exergía.  Destrucción de la exergía debido a la fricción. La exergía es destruida espontáneamente por la fricción. En la imagen mostrada el trabajo transferido al sistema a través del eje debe ser igual al calor rechazado hacia la atmosfera, sin embargo ya que el calor n transporta exergía a través de la frontera externa (se encuentra a la temperatura de la atmosfera), la única forma para que la exergía del sistema pueda permanecer constante es la destrucción de la exergía. 12
  • 14. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD  Destrucción de la exergía debido al calentamiento por resistencia eléctrica. La exergía es destruida espontáneamente por la electricidad que pasa a través de una resistencia. En la imagen mostrada el trabajo eléctrico transferido al sistema debe ser igual al calor rechazado hacia la atmosfera, sin embargo ya que el calor no transporta exergía a través de la frontera externa (se encuentra a la temperatura de la atmosfera), la única forma para que la exergía del sistema pueda permanecer constante es la destrucción de la exergía. 8. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO[4] 8.1. Primera funcion Gouy o Darrieus 13
  • 15. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 8.2. Exergía de un sistema cerrado a To 14
  • 16. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 9. EXERGÍA DE UN SISTEMA ABIERTO[5] Es el máximo trabajo de circulación. 9.1. Segunda funcion Gouy o Darrieus 15
  • 17. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 10. EXERGÍA DEL CALOR 11. BALANCE EXERGÉTICO En realidad un balance de exergía no es más que la combinación de un balance de energía y de entropía, que derivan a su vez del primer y segundo principio de la termodinámica. No es por tanto un resultado independiente, pero puede utilizarse como formulación alternativa de la segunda ley de la termodinámica. Como alternativa al principio de incremento de entropía, se puede formular la segunda ley estableciendo que, los únicos procesos que puede experimentar un sistema aislado son aquellos en los que la exergía del sistema disminuye. El balance de exergía es un método de análisis muy útil a la hora de valorar el rendimiento energético de una instalación, nos da una visión más amplia que 16
  • 18. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD el rendimiento térmico. Permite valorar las pérdidas de energía en un proceso, la energía que sería aprovechable de flujos salientes en sistemas abiertos y las ventajas de métodos regenerativos en instalaciones térmicas. 11.1. Balance en sistemas cerrados Un sistema cerrado puede interaccionar con el entorno mediante transferencias de energía en forma de calor o trabajo, que implican una transferencia de exergía entre el sistema y el entorno. Esta exergía transferida no coincide necesariamente con la variación de exergía del sistema, ya que la exergía también se destruye como consecuencia de la generación de entropía (todos los procesos reales con transferencia de energía en forma de calor conllevan, además de una transferencia de entropía, una generación de entropía debida a procesos irreversibles dentro del sistema. La variación de exergía del sistema cerrado es igual a la transferencia de exergía con el entorno, menos la destrucción de exergía , donde representa la generación de entropía, que por el segundo principio, no puede ser negativa. 11.2. Balance en sistemas abiertos Para sistemas abiertos, en los que hay transferencia de masa, se maneja el concepto de exergía de flujo, que no es más que la exergía asociada a una corriente material que atraviesa un volumen de control determinado. Adaptando la expresión y utilizando magnitudes específicas (por unidad de masa) se tiene: Donde h, s, C, y z son entalpía, entropía, velocidad, altura del flujo respectivamente. son las propiedades evaluadas en el estado muerto. g es la aceleración de la gravedad. 17
  • 19. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD El balance de exergía en un sistema abierto como: Esto es, la variación de exergía acumulada dentro del sistema por unidad de tiempo es igual a: la transferencia de exergía asociada a la transmisión de energía en forma de calor, donde representa la velocidad de transferencia de calor a través de una parte de la frontera a temperatura ,menos la velocidad de intercambio de exergía por trabajo, excluyendo el trabajo de flujo, más es la transferencia de exergía asociada a la transferencia de masa entre el sistema y el entorno y menos la destrucción de exergía por unidad de tiempo causada por irreversibilidades internas del volumen de control. Que el término recuerde al rendimiento máximo calculado por Carnot en sus teoremas no es casualidad. Representa precisamente la potencialidad a la hora de obtener trabajo de focos térmicos a diferente temperatura. 12. EFICIENCIA EXERGÉTICA[6] La Eficiencia de Segunda Ley es una medida del desempeño de un dispositivo real con relación a su desempeño en condiciones reversibles para los mismos estados inicial y final. Las siguientes imágenes describen la deferencia entre la eficiencia térmica y la eficiencia exergética (o eficiencia según la segunda ley) de una máquina térmica. 18
  • 20. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD Hasta el momento, al hacer referencia a la eficiencia siempre ha sido en términos energéticos, sin hacer distinción de la calidad de la energía producida o consumida. Una forma más apropiada de evaluar los procesos es en términos de la energía disponible consumida o producida ya que es la energía verdaderamente aprovechable. En esta sección se presentará la eficiencia exergética de procesos la cual se conoce también como eficiencia de segunda ley. En general, la eficiencia se puede definir como lo que se obtiene sobre lo que se paga: A diferencia de la eficiencia energética, la eficiencia exergética puede ser del ciento por ciento si el proceso de transformación al que se refiere se realiza de una manera completamente reversible (sin destrucción de exergía). Eficiencia de una máquina térmica: De acuerdo con el objetivo de una máquina térmica, que es obtener trabajo a partir de calor suministrado, y ya que todo el trabajo producido es, en este caso, energía disponible mientras que la fracción disponible del calor es Qc (1 – T0 /Tc) Entonces: 19
  • 21. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD Eficiencia de un refrigerador: El objetivo de un refrigerador es extraer calor para lograr una baja temperatura por medio de una máquina que consume trabajo. Al extraer calor de un depósito, este queda en capacidad de permitir la producción de trabajo mediante una máquina térmica reversible que recibe calor del ambiente y descarga en el depósito; luego, la eficiencia exergética es: Eficiencia de una bomba de calor: En este caso se desea mantener un recinto a una temperatura alta suministrándole calor extraído de un foco que se encuentra a menor temperatura mediante el empleo de trabajo mecánico. Al obtener un depósito caliente, se está en capacidad de producir trabajo mediante una máquina térmica reversible conectada entre este depósito y el ambiente. 20
  • 22. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD Eficiencias de bombas y compresores: En estos equipos la sustancia recibe energía mecánica para aumentar su exergía (representada en alta presión o incremento de energía potencial) Eficiencia de una turbina : En estos equipos se obtiene trabajo a expensas de una disminución de la exergía de la sustancia, luego Eficiencia de un intercambiador de calor: De acuerdo con el criterio de eficiencia exergética se podría definir para un intercambiador de calor En la práctica esta eficiencia no tiene mucho sentido, pues lo que interesa es la transferencia de calor para aumentar la energía de una sustancia. Sería más útil hacer referencia a una eficiencia energética. 21
  • 23. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 12.1. Eficiencia para Máquinas Térmicas:  Diagrama de Energía de una máquina térmica  Diagrama de Exergía 12.2. Eficiencia para Refrigeradores o Bombas de Calor:  Diagrama de Energía 22
  • 24. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD  Diagrama de Exergía Refrigerador  Diagrama de Exergía Bomba de Calor 12.3. Rendimiento Exergético para un ciclo irreversible de Carnot 23
  • 25. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 13. TRANSFERENCIA DE EXERGÍA[7] 13.1. Exergía transportada por Masa 13.2. Exergía transferida por Calor y Trabajo 24
  • 26. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 14. CONCLUSIONES  En el presente trabajo, se ha preferido dar la visión de la utilización de la exergía disponible en los procesos de utilización calórica mediante su transformación en trabajo mecánico, en lugar de su degradación inútil.  Como se indicó, cuando es posible superponer una máquina térmica entre el ingreso del combustible y la utilización calórica, la eficiencia marginal de la conversión de la energía térmica a trabajo mecánico es idealmente del 100%, y que el aumento de la eficiencia de tal máquina térmica permite obtener también mayores cantidades de trabajo con una eficiencia marginal ideal del 100%.  La posibilidad de obtención de estas cantidades de trabajo es similar a la disponibilidad que existe en un salto hidráulico que, de no ser aprovechado, se pierde irreversiblemente. Es indudable pues que, desde el punto de vista del uso racional de los recursos energéticos y del desarrollo sustentable se debe alentar en lo posible la implementación de estos sistemas, lo que implica un cambio importante de los conceptos y modalidades tradicionales. Se trata de una valorización de la exergía.  Desde el punto de vista ambiental, desplazando la generación térmica convencional, es una de las formas de reemplazar las prácticas convencionales por las que al menos son más sustentables que las actuales, y que en muchos casos puede ser de implementación inmediata.  Es posible manejar el concepto de exergía cualitativamente, entre otras cosas para depurar el lenguaje cotidiano, de manera que se hable propiamente de consumo de exergía y de conservación de energía, y no de ``consumo de energía''. En el mismo sentido, se suele definir a la energía como la ``capacidad para hacer trabajo''; pero de lo expuesto hasta aquí deberá quedar claro que ésta es una propiedad exclusiva de la exergía y no de la energía. Un ejemplo sencillo sirve para enfatizar lo anterior: considérese un gas encerrado en una delas mitades de un recipiente aislado del exterior, estando la otra mitad vacía. Si la pared de separación entre el gas y la otra mitad vacía se quita, el gas se expandirá hasta ocupar el espacio completo, siendo su energía final igual a la inicial. 25
  • 27. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 15. REFERENCIAS 1. Agencia Andaluza de la Energía, consejería de innovación ciencia y empresa Energía solar fotovoltaica general, 2008. p. 1-32 2. ALGOR, Energía 2010 foro nuclear; Junio 2010. p. 19-37 53-93 195-216 3. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Eólica; FOCER. Septiembre 2002. p. 6-21 4. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Hidráulica a pequeña escala. FOCER. Septiembre 2002. p. 6-22 5. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica; FOCER. Septiembre 2002.p. 8-27 6. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Solar térmica. FOCER. Septiembre 2002. p. 6-25 7. Carnevale, F.; Energía Mareomotriz. Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo. Mayo 2008, p. 2-10 8. Flórez-Orrego, Daniel; Silva Ortiz, Pablo. (2013). Exergia, Conceptualización y Aplicación. Escuela Politécnica de la Universidad de Sao Paulo. *El trabajo presentado es una recopilación de las monografías mostradas en las referencias y unido a nuestra propia fuente de información (autoría).* 26
  • 28. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 16. BIBLIOGRAFÍA  Cengel, Y. A., & Boles, M. A.(2009). Termodinámica (6a ed.). McGraw-Hill.  Dincer, I., & Kanoglu, M. (2010). Refrigeration Systems And Applications (2th ed.). John Wiley and Sons, Ltd.  Dossat, R. J. (1998). Principios de refrigeración. CECSA.  Geurts, M. (2005). Properties of Refrigerant 22 (chlorodifluoromethane). Recuperado el 18 de agosto de 2011 del sitio web de Industrial RefrigeratioConsortium:http://www.irc.wisc.edu.html  Pita, E. G. Acondicionamiento de aire, principios y sistemas (2a ed.). CECSA.  Witman, W. C., & Johnson, W. M. Tecnología de la refrigeración y aire acondicionado, refrigeración comercial.( Para info.s.f.). PÁGINAS WEB  Obtenido de http://www.emersonclimatemexico.com/home  http://www.academia.edu/3315176/Exergia_Conceituacao_e_Aplicacao  http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/c03/Exergia.pdf  http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/gnavascu/TERMOTECNIA_10_11/7_ TERMOT_EXERGIA_2010_11.pdf  http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Modulos/Modulo4.pdf  http://es.wikipedia.org/wiki/Exerg%C3%ADa  http://www.smf.mx/boletin/Abr-98/ense/exer.html  http://termoweb.comyr.com/exergia.html  http://iqtma.uva.es/termoap/analisis_de_procesos.pdf  http://laplace.us.es/wiki/index.php/Introducci%C3%B3n_a_la_exerg%C3%ADa  http://gpinch.sourceforge.net/pinch/node57.html  http://ing.unne.edu.ar/pub/termodinamica/e2010.pdf 27
  • 29. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD 17. ANEXOS: REPRESENTACIONES GRÁFICAS Y DIAGRAMAS DE EXERGÍA[8] En el análisis de exergía, el uso de los diagramas es particularmente útil, entre otras aplicaciones, para obtener y calcular las propiedades termodinámicas, así como otras cantidades tales como el calor (Q) y de trabajo (W) en relación con un proceso, o bien para la representación Un procesos y ciclo de conversión de energía. Entonces SAOA presentados algunos de estos diagramas. En el diagrama de "entalpía exergía física", la representación de líneas vapor de líquido saturado y depende de la localización del estado de punto muerto restringido, es decir, (PO,TO) Si este punto se encuentra en la región de líquido comprimido (se aplica a sustancias tales como el agua, el amoníaco y algunos refrigerantes fluorados) o en la región de vapor sobrecalentado, los diagramas correspondientes se muestran en la siguientes tablas. Un diagrama de uso común en el análisis de exergía de los procesos es el diagrama de Grassmann, que es una representación analógica del diagrama de Sankey, este último generalmente empleado en el análisis de los procesos energéticos. En este tipo de diagrama, que representa que las proporciones relativas (relacionados con las anchuras de barras) de diferentes flujos de exergía en el proceso de conversión de energía. 28
  • 30. DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD PLANTA DE COGENERACIÓN SIMPLIFICADA Por ejemplo, mientras que en la primera diagrama energía se conserva en la caldera en el segundo diagrama de exergía se destruye cuando se trata de un intercambio de calor altamenteirreversível proceso con diferencia de temperatura finita, y las reacciones de combustión. 29
  • 31. Este trabajo está dedicado a nuestros padres y a todas las personas que nos apoyan a lograr nuestras metas