Energía y Exergía

Los diferentes tipos de energía presentan también diferentes calidades. Estas diferencias radican en la posibilidad de producir trabajo o de transformar un tipo de energía en otro. Por ejemplo, la calidad del calor depende de su temperatura; a mayor temperatura, una fuente de calor puede transferir su energía con más posibilidades que a menor temperatura6.1.

En general, se acepta como medida de la calidad de la energía, su capacidad para producir trabajo. El problema con esta definición es elegir el nivel de referencia adecuado. Hay que tener en cuenta, que para que una máquina térmica realice trabajo, debe tomar calor desde una fuente a alta temperatura, y ceder parte de ese calor a un sumidero a baja temperatura6.2. Si la temperatura (fría) del sumidero es muy alta, muy pocas fuentes tendrán la temperatura necesaria como para que una máquina térmica puede transformar el calor de esta fuente en trabajo. Por tanto el nivel de referencia (es decir, el valor de la temperatura fría) es muy importante a la hora de definir la exergía. Como es habitual que las máquinas térmicas trabajen con el medio que las rodea como foco frío, se suele tomar el nivel de referencia en la temperatura ambiente.

Por tanto, a la hora de calcular la exergía es necesario especificar cuál es el entorno en el que trabaja la máquina térmica. Debido a la falta de un equilibrio termodinámico en la naturaleza6.3, no se puede especificar completamente cuál es el estado de referencia (debido a que, como ya se ha dicho, las condiciones del medio son cambiantes). Normalmente, es suficiente con definir el estado de equilibrio mediante la temperatura.

La capacidad de un medio energético para realizar trabajo expresa su potencial para transformarse en otros tipos de energía, y por tanto la exergía puede aplicarse al estudio de procesos tecnológicos6.4 además de para plantas de energía, ciclos termodinámicos, máquinas, etc.

A diferencia de la energía, no existe una ley de conservación para la exergía. Cualquier fenómeno irreversible6.5 causa una pérdida de exergía, lo que conlleva una reducción del potencial de los efectos útiles de la energía, o por el contrario a un aumento del consumo de energía proporcionado por el foco caliente (para lograr una generación de trabajo igual).

Figura: Componentes de la exergía de una sustancia
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Si excluimos los efectos nucleares, magnéticos y eléctricos, la exergía, $ B $, de una sustancia se puede dividir en cuatro componentes: exergía cinética $ B_k $, exergía potencial $ B_p $, exergía física $ B_f $ y exergía química $ B_q $. La exergía cinética es igual a la energía cinética cuando la velocidad tiene como nivel de referencia la superficie de la Tierra. Lo mismo ocurre con la exergía potencial. En la figura [*] se muestran los diferentes tipos de exergía.

$\displaystyle B = B_k + B_p + B_f + B_q$ (6.1)

La exergía física es el trabajo que se puede obtener sometiendo a la sustancia a procesos físicos6.6 reversibles desde la temperatura y presión iniciales, hasta el estado determinado por la presión y la temperatura del entorno.

La exergía química es el trabajo que se puede obtener de una sustancia que se encuentra a la presión y temperatura del entorno, si alcanza un estado de equilibrio termodinámico mediante reacciones químicas.

En ocasiones, a la suma de la exergías física y química se le denomina exergía térmica, $ B_t $.

$\displaystyle B_t = B_f + B_p$ (6.2)

2004-05-30