termodinamica

CAPÍTULO

6

TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS.
EXERGÍA

Se estudian en este tema las transformaciones de energía en
máquinas térmicas y frigoríficas obteniendo las expresiones de los
máximos rendimientos y coeficientes de eficiencia alcanzables.
Se realiza también una introducción al concepto de exergía
analizando su balance en sistemas cerrados y abiertos y definiendo la
eficienciaexergética.
Por último, se hace una introducción al estudio de los ciclos
reales en máquinas térmicas y frigoríficas.

Transformaciones energéticas. Exergía

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6.1.- Transformación de calor en trabajo mediante un
proceso cíclico

El proceso que se desarrolla en
una máquina térmica, como ya hemos
visto, es un proceso cíclico. El trabajo
obtenido durante el mismo, proviene del
calorabsorbido por la máquina. Una
máquina térmica es una instalación para
transformar calor en trabajo.
Como establece el postulado de
Kelvin-Planck, es imposible transformar
en trabajo todo el calor absorbido, es
decir, que es imposible que el rendimiento de una máquina térmica sea igual a la
unidad. Por esta razón diremos que el
calor es una forma de energía de baja
calidad. Vamos ademostrarlo, ahora, con
ayuda de la entropía.

Foco caliente

Q

Máquina
Térmica

Wt = Q

Figura 6.1.- Máquina térmica
imposible

El calor cedido a una máquina térmica proviene de una fuente de calor o
foco caliente. Ésta fuente de calor, junto con la máquina térmica, forman un
sistema adiabático, por lo que, según el Segundo Principio, la variación de
entropía no puede ser negativa.Luego:

∆ S FC + ∆ S MT ≥ 0
Dado que la máquina térmica recorre un proceso cíclico, su variación de
entropía será nula

∆S MT = 0
El calor absorbido por la máquina térmica ha sido cedido por la fuente de
calor, por lo que ha de considerarse negativo desde el punto de vista del foco
caliente por lo que su variación de entropía sería negativa

∆S FC < 0
lo que contradice el SegundoPrincipio. El proceso, pues, es imposible.
En consecuencia, para que la disminución de entropía experimentada por
el foco caliente, pueda ser compensada, parte del calor absorbido por la máquina
térmica, deberá ser cedido a lo que llamaremos fuente fría o foco frío. De esta
manera se podrá cumplir que la variación de entropía del sistema adiabático
formado por la fuente caliente, la máquina térmica yla fuente fría, no disminuye,
cumpliéndose así el Segundo Principio de la Termodinámica.

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Transformaciones energéticas. Exergía

6.2.- El factor de Carnot

El rendimiento de una máquina
térmica alcanza su valor máximo cuando
todos los procesos son reversibles. Calcularemos este rendimiento máximo
suponiendo la fuente caliente a una temperatura constante T y la fuente fría a
unatemperatura constante T0.

Foco caliente
T > To
Qrev
Máquina
Térmica
rev

La figura 6.2 representa el esquema de una máquina térmica reversible.
Aplicando el Segundo Principio, se tiene:

W t rev

(Q o )rev

∆ S FC + ∆ S MT + ∆ S FF = 0

To
Foco frío

La variación de entropía de la
máquina térmica, al ser un proceso cíclico, será:

Figura 6.2.- Máquina térmica
reversible∆S MT = 0
mientras que la fuente caliente, al ceder calor, disminuye su entropía en:

∆S FC = −

Qrev
T

y la fuente fría la aumenta en:

∆S FF =

(Q0 )rev
T0

por lo tanto se cumplirá que:

−

Qrev (Q0 )rev
+
=0
T
T0

Aplicando, ahora, el Primer Principio, tenemos

(Wt )rev = Qrev − (Q0 )rev
que, sustituido en la ecuación anterior, nos da:

−

Qrev Qrev (Wt )rev+
=
T
T0
To

El rendimiento térmico de la máquina vendrá dado, entonces, por:

Transformaciones energéticas. Exergía

(η )

th rev

=

(W )

t rev

Qrev

165

=

T − T0
T

El rendimiento máximo en una máquina reversible que absorba calor de
una fuente a temperatura constante y lo ceda a otra, también a temperatura
constante, es función exclusivamente de las...