Cambio de Exergía de un sistema

La propiedad exergía es el potencial de trabajo de un sistema en un ambiente especificado y representa la cantidad máxima de trabajo útil que puede obtenerse cuando el sistema llega al equilibro con el ambiente. La exergía a diferencia de la energía, va a depender tanto del estado del ambiente como del estado del sistema, es una propiedad de combinación.  

La exergía de un ambiente en equilibrio con su ambiente es cero. La exergía termo-mecánica, por lo tanto no se toma en cuenta cualquier tipo de reacciones químicas y de mezclado. Por ejemplo un sistema en un estado muerto restringido está a la temperatura y la presión del ambiente y no tiene energías cinéticas o potencial relativas al ambiente, sin embargo puede tener una composición química diferente a este.

Exergía de una masa fija: exergía sin flujo (o de sistema cerrado).

Consideremos un balance de energía para un sistema dispositivo cilindro-émbolo que experimenta un cambio diferencial de estado durante el cual el volumen cambia y el calor se transfiere en una cantidad diferencial. Ya que la única forma de energía que el sistema contiene es la energía interna y las únicas formas de transferencia de energía que una masa fija puede involucrar son calor y trabajo.

La única forma de trabajo que un sistema simple compresible puede involucrar durante un proceso reversible es el trabajo de frontera:

Siendo un proceso reversible, la transferencia de calor debe ocurrir a través una maquina térmica reversible. La eficiencia térmica de una maquina reversible Nter =1-To/T, el trabajo diferencial producido por la máquina como resultado de esta transferencia de calor es:



Sustituyendo en el balance de energía nos queda:

 Integrando

Donde Wtotal,útil es el trabajo útil total entregado cuando el sistema experimenta un proceso reversible desde el estado especificado muerto, al cual por definición corresponde a la exergía.

En un sistema cerrado, un sistema cerrado posee energías cinética y potencial por lo tanto queda:

 O por unidad de masa, la exergía del sistema cerrado (o sin flujo)

 En un sistema cerrado durante un proceso es la diferencia entre las exergías final e inicial del sistema:

 o por unidad de masa,

Para sistemas estacionarios, los términos de energía cinética y potencial desaparecen.

Cuando las propiedades de un sistema no son uniformes, la exergía del sistema puede ser determinada mediante la integración de:

La exergía es una propiedad y esta no cambia a menos que cambie el estado, por lo tanto el cambio de exergía de un sistema es cero si el estado del ambiente o sistema no cambia.

La exergía de un sistema cerrado es positivo o cero NUNCA NEGATIVO, inclusive a bajas temperaturas y/o baja presión.

Exergía de una corriente de flujo: Exergía de flujo (o corriente)

 

 Un fluido en movimiento tiene una forma adicional de energía, llamada energía de flujo que es la energía necesaria para mantener el flujo en una tubería o conducto, y se expresa como Wflujo=P*V. El trabajo de flujo es esencialmente el trabajo de frontera realizado por un fluido sobre el fluido que está corriente abajo, por lo tanto es asociado con el trabajo de frontera, el cual es el exceso de trabajo de frontera realizado contra el aire atmosférico para desplazarlo un volumen.
Entonces la exergia de una corriente de flujo se determina simplemente sumando la relación anterior de exergía de flujo a la exergía de masa fija.





La expresión final se llama exergía de flujo (o corriente):

El cambio de exergía de una corriente de fluido cuando experimenta un proceso será: