Expansión adiabática

La pérdida de exergía debida a una transferencia de calor irreversible se puede mostrar en un diagrama $T-\dot S$, como en la figura . Estos diagramas se suelen emplear para ilustrar el funcionamiento de intercambiadores de calor isobáricos en estado estacionario. El fluido 2 es agua que se caliente hasta su punto de ebullición, se evapora, y se recaliente el vapor. El fluido 1 no sufre un cambio de fase. El área bajo cada una de las curvas es, por supuesto, igual (ya que representa el flujo de calor intercambiado). El área del rectángulo bajo la línea de $T_0$ representa la pérdida de exergía, $\delta B$.

Figura: Pérdida de exergía en un intercambiador de calor.

La pérdida de exergía también puede ilustrarse en un diagrama $\dot H - \dot S$, como el de la figura . La pérdida de exergía está representada por la longitud del segmento vertical que va desde la entalpía del punto común $1e-2b$, hasta la isotérmica $T_0$.

Figura: Pérdida de exergía en un intercambiador de calor, presentada en un diagrama entalpía-entropía.

La pérdida de exergía debida a efectos de fricción puede calcularse a partir del calor de fricción, $Q_f$, que absorbe un cuerpo a una temperatura, $T$. Ésta viene dada por:

$$\delta B = Q_f \frac{T_0}{T}$$ (6.29)

Es evidente que la pérdida de exergía será menor cuanto mayor sea la temperatura.

En la figura se muestra una expansión adiabática en un diagrama $T-S$. A partir de este diagrama puede calcularse fácilmente la pérdida de exergía por efectos de fricción. El área bajo la curva adiabática de la expansión irreversible representa el calor de fricción (esto es, el calor disipado en la fricción). En la figura se presentan dos casos:

• Si la temperatura de la expansión está por debajo de $T_0$, entonces la pérdida de exergía es mayor que el calor de fricción disipado en la expansión
• En cambio, si la temperatura de la expansión es superior a $T_0$, la pérdida de exergía por efectos de fricción es inferior al calor disipado.

La pérdida de exergía por efectos de fricción disminuye el trabajo útil obtenido en la expansión. Además, si la expansión forma parte de un ciclo de refrigeración, la disminución de la exergía del fluido merma su capacidad refrigerante. Por tanto, el análisis de exergía es fundamental en el estudio de los procesos de refrigeración.

Figura: Comparación del calor de fricción y la pérdida de exergía en una expansión adiabática.