La exergía se define como el trabajo máximo teórico que puede obtenerse de la interacción entre un sistema y el medio ambiente de referencia al alcanzar el equilibrio. La exergía mide la distancia al estado muerto y no se conserva debido a las irreversibilidades que producen destrucción de exergía. La eficiencia exergética compara la exergía producida y consumida para evaluar cuán efectivamente se utilizan los recursos energéticos.

1. Termodinámica
Prof.: Mg. Ing. Luis E. Fauroux
Ing. David E. Jara
EXERGIA

2. Definición de exergía
El concepto de conservación de energía no es suficiente si se quiere conocer sobre la
eficiencia en la utilización de los recursos involucrados.
A partir del segundo principio podemos decir que si interactúan dos sistemas con diferentes
estados, a priori, es posible producir trabajo mientras alcanzan el equilibrio, es decir, sería
posible aprovechar un proceso espontáneo.
La exergía se define como el trabajo máximo teórico que puede obtenerse de la interacción
entre un sistema en estudio y el (medio) ambiente, mientras se alcanza el equilibrio.
Dicho ambiente, también es un sistema idealizado llamado ambiente de referencia de
exergía, y es la porción “lejana” del entorno del sistema de interés.
Medio ambiente de referencia (de exergía)
Es un sistema simple compresible de gran extensión, con temperatura T0 y presión p0
uniformes. Típicamente: T0 = 25°C, p0 = 1 atm, y v0. No hay irreversibilidades en él.
(se encuentran en el sistema y su entorno inmediato).
Cuando el sistema en estudio está en equilibrio con el ambiente, no hay oportunidad para
producir trabajo: el sistema está en un estado muerto cuando no puede intercambiar más
trabajo, o estado vivo si tiene posibilidad de intercambiar trabajo (exergía).

3. Exergía de una fuente térmica
El rendimiento térmico de la máquina
puede expresarse como:
En este estado muerto, el valor de exergía es cero porque no hay posibilidad de que
mediante algún proceso espontaneo dentro del sistema o ambiente, ni interacción entre
ellos, pueda producirse trabajo. Ambos sistemas podrían tener energía, pero no puede ser
aprovechada.
𝜂 =
𝑊
𝑄1
= 1 −
𝑄2
𝑄1
Pero si la máquina es reversible, el máximo
trabajo que podemos extraer de la misma será:
𝜂𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡. 𝑄1 = 𝑊𝑀𝑎𝑥 ⇒ 1 −
𝑇0
𝑇1
. 𝑄1 = 𝑊𝑀𝑎𝑥
Si la temperatura de la fuente fría es la del ambiente:
𝑊𝑀𝑎𝑥 = 𝑄1 − 𝑇0
𝑄1
𝑇1
= 𝑋 = 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔í𝑎
Por definición de exergía, este es el máximo trabajo que podemos extraer de esa
diferencia de temperatura con la máquina térmica reversible.
Q1
Q2
T0
T1

4. Exergía de un sistema cerrado
• La exergía es el máximo trabajo
teórico que podría realizar el
sistema combinado si el sistema
cerrado pasara desde un estado
“vivo” al estado “muerto”.
• La frontera del sistema combinado
es tal que solo puede transferirse
trabajo a través de la misma.
• La exergía del sistema está asociada
al trabajo desarrollado por el
sistema combinado, WC.
Si sólo interesa el trabajo intercambiado
Sistema Cerrado
Frontera
W
Frontera del sistema combinado
WC
Intercambios con el ambiente (entorno)
Q
𝛥𝐸𝐶𝑜𝑚𝑏. = 𝛥𝐸 + 𝛥𝐸𝑎 = 𝐸0 − 𝐸 + 𝛥𝐸𝑎 = 𝑄𝐶𝑜𝑚𝑏. − 𝑊𝐶𝑜𝑚𝑏,
𝛥𝐸𝐶𝑜𝑚𝑏. = 𝛥𝐸 + 𝛥𝐸𝑎 = 𝐸0 − 𝐸 + 𝛥𝐸𝑎 = −𝑊𝐶𝑜𝑚𝑏,
Balance de energía:
para el sistema combinado, entre un estado dado y el estado muerto (final):

5. Como los cambios en EP y EC se evalúan en referencia al ambiente, el cambio de
energía del estado muerto sólo implica la energía interna:
El volumen total del sistema combinado es constante (para evitar generación de
trabajo por desplazamiento de frontera): 𝛥𝑉 + 𝛥𝑉
𝑎 = 0; Por lo tanto:
Para el análisis exergético, los cambios en EPOTENCIAL y ECINETICA se evalúan en referencia
al ambiente, por ende 𝛥𝐸𝑎= 𝛥𝑈𝑎. Usando la expresión ya presentada para
reemplazar por 𝛥𝑈𝑎:
Los cambios en las propiedades extensivas U, Sa, y Va, se relacionan a través de la
primera ecuación T.dS = δQ
𝛥𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑈0 − 𝐸 − 𝑇0. 𝛥𝑆𝑎 − 𝑝0. 𝛥𝑉
𝑎 = −𝑊
𝑐
𝛥𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑈0 − 𝐸 + 𝛥𝑈𝑎 = −𝑊
𝑐

6. Balance de entropía: para el sistema combinado, recordando que 𝑄𝐶𝑜𝑚𝑏 = 0, entre un estado dado y el
estado muerto (final):
El cambio de exergía entre dos estados de un sistema cerrado es entonces por analogía:
• La exergía mide la distancia al estado muerto.
• La exergía no se conserva, sino que es destruida por irreversibilidades (o la producción de
entropía).
• Se puede usar la exergía específica (x) en base másica.
El máximo valor de WC se obtendrá cuando no haya irreversibilidades en el sistema combinado
(ΔS0 =0).
De esta forma, se define la exergía del sistema, función de estado X (x sería específica):
Usando esta expresión en la ecuación obtenida para Wc:
𝑋– 𝑋0 = 𝐸 − 𝑈0 + 𝑝0. 𝑉 − 𝑉0 − 𝑇. 𝑉0. (𝑆 − 𝑆0)
𝑋2– 𝑋1 = 𝑈2 − 𝑈1 + 𝑝0. 𝑉2 − 𝑉1 − 𝑇0. (𝑆2 − 𝑆1)

7. Exergía de un sistema abierto:
Para obtener el balance de exergía en un sistema abierto (Volumen de Control), debe
sumarse la contribución asociada al flujo de masa, y también la transferencia de
exergía que acompaña al trabajo de flujo.
La exergía de flujo (𝑥𝑓) considera ambos aportes:
El término subrayado es el aporte por trabajo de flujo. Incorporando ahora las
contribuciones a e (energía interna), donde usando la definición de entalpía (h = u +
pv), se obtiene la exergía específica de flujo para un sistema abierto:
𝑥𝑓 = 𝑥 + 𝑝. 𝑣 − 𝑝0 − 𝑣 = 𝑒 − 𝑢0 + 𝑝0. 𝑣 − 𝑣0 − 𝑇0. (𝑠 − 𝑠0) + 𝑝. 𝑣 − 𝑝0
𝛥𝑥𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 = ℎ − ℎ0 +
𝑣2
− 𝑣0
2
2
− 𝑇0. (𝑠 − 𝑠0)

8. Eficiencia Exergética:
El objetivo es evaluar la efectividad de la
utilización de los recursos energéticos.
Se puede analizar este sistema en estado
estacionario, en ausencia de trabajo, on los
balances de energía y exergía para un sistema
cerrado.
Ql
Qs Qu
Ts
Tl
Tu
Frontera del sistema
Aire
Combustible
𝑄𝑠 = 𝑄𝑢 + 𝑄𝑙
1 −
𝑇0
𝑇𝑠
. 𝑄𝑠 = 1 −
𝑇0
𝑇𝑢
. 𝑄𝑢 + 1 −
𝑇0
𝑇𝑙
. 𝑄𝑙 + 𝑋𝑑
Siendo Ẋ𝑑=𝑇0Δ𝑆, vale decir que es la Exergía destruida
(tener en cuenta siempre cual es la variación de entropía que debemos utilizar)
𝑑𝐸
𝑑𝑡
= 𝑄𝑠 − 𝑄𝑢 − 𝑄𝑙 − W
𝑑𝑋
𝑑𝑡
= 1 −
𝑇0
𝑇𝑠
. 𝑄𝑠 − 1 −
𝑇0
𝑇𝑢
. 𝑄𝑢 − 1 −
𝑇0
𝑇𝑙
. 𝑄𝑙 − W − 𝑝0.
𝑑𝑉
𝑑𝑡
− 𝑋𝑑
La energía que ingresa por
transferencia de calor 𝑄𝑠 es
usada 𝑄𝑢 , o perdida al
entorno 𝑄𝑙.

9. Puede definirse la eficiencia o rendimiento en términos energéticos según 𝜂 =
𝑄𝑢
𝑄𝑠
Por lo que puede definirse la eficiencia exergética como 𝜀 =
1 −
𝑇0
𝑇𝑢
. 𝑄𝑢
1 −
𝑇0
𝑇𝑠
. 𝑄𝑠
Combinando ambas resulta 𝜀 = 𝜂.
1 −
𝑇0
𝑇𝑢
1 −
𝑇0
𝑇𝑠
Mientras que el rendimiento, 𝜂,expresa el grado de aprovechamiento de la energía, la
eficiencia, 𝜀,aprecia el uso eficiente de la misma. Resultando ideal cuando 𝑇0=𝑇𝑠 y el 𝜂=1

10. Eficiencia exergética de equipos
Usando el balance de exergía se puede obtener la eficiencia en términos de exergía de
diferentes equipos o sistemas. Debemos tener en cuenta si los equipos intercambian
calor con el medio o bien son adiabáticos.
• Definimos el Rendimiento Exergético como:
𝜂𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜=𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎𝑠/|𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎𝑠|
Para el caso de una turbina, la exergía de flujo disminuye a causa de la producción de
trabajo y la destrucción de exergía. Para medir la efectividad en la conversión de exergía
de flujo en el producto deseado, se usa la eficiencia exergética de turbina.
Si la turbina es adiabática y funciona en régimen permanente:
0 =
𝑖
1 −
𝑇0
𝑇𝑖
. 𝑄𝑖 − 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 + 𝑚(𝑥𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑥𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙)
𝜂𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 =
𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎
𝑚 𝑥𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑥𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙

11. En el caso del compresor, la exergía producida es la del flujo de fluido que pasa a
través del mismo, y la exergía consumida es el trabajo que se le debe entregar para
que dicho efecto se cumpla (elevar la presión del fluido que se comprime a los
valores deseados). Debemos tener en cuenta las irreversibilidades puesto que un
aumento de las misma produce destrucción de exergía.
Para un Intercambiador de calor (corrientes separadas, adiabático). La corriente
caliente ingresa en 1 y sale en 2, la corriente fría ingresa en 3 y sale en 4; el balance
de exergía resulta:
𝜂𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 =
𝑚𝑓. 𝑥𝑓4 − 𝑥𝑓3
𝑚𝑐. 𝑥𝑐2 − 𝑥𝑐1
1
1
3
3
2
2
4
4

12. Utilidades de la eficiencia exergética
 Para distinguir medios para una utilización termodinámicamente efectiva de los
recursos energéticos comparando energías del mismo tipo.
 Para diseñar equipos y sistemas, y evaluar cambios (rediseños) en sistemas
existentes.
 El 100% de eficiencia exergética es un objetivo teórico, que brinda margen y
dirección mejora respecto a la práctica.
 Las mejoras planteadas en términos exergéticos deben ser evaluadas en conjunto
con el costo de implementación de estas (“costo total”).