EFICIENCIA SEGÚN LA SEGUNDA LEY

En el capítulo 6 se definieron la eficiencia térmica y el coeficiente de desempeño para los dispositivos como una medida de su desempeño.

Sólo se definieron con base en la primera ley, por lo que en ocasiones son llamadas eficiencias según la primera ley.

Sin embargo, la eficiencia según la primera ley no hace ninguna referencia al mejor desempeño posible y por lo tanto puede ser equivocada.

Considere dos máquinas térmicas, ambas con una eficiencia térmica de 30 por ciento, como se muestra en la figura 8-15. Una de ellas (máquina A) es alimentada con calor de una fuente a 600 K y la otra (máquina B) con una a 1 000 K. Las dos desechan calor a un medio a 300 K y a primera vista ambas parecen convertir en trabajo la misma fracción de calor que reciben, por lo tanto se desempeñan igualmente bien. Sin embargo, cuando se les observa con detenimiento a la luz de la segunda ley de la termodinámica, notamos un escenario totalmente diferente: en el mejor de los casos, estas máquinas pueden desempeñarse como máquinas reversibles, en cuyo caso sus eficiencias Serían.

Ahora es evidente que la máquina B tiene un potencial de trabajo disponible mayor (70 por ciento del calor proporcionado, en comparación con el 50 por ciento de la A), por lo tanto debería desempeñarse mucho mejor que la máquina A. Por consiguiente, podemos decir que la B se desempeña pobremente con relación a la máquina A aunque las dos tienen la misma eficiencia térmica. En este ejemplo es obvio que la eficiencia según la primera ley por sí sola no es una medida realista del desempeño de los dispositivos técnicos. Para superar esta deficiencia, se define a la eficiencia según la segunda ley como la relación entre la eficiencia térmica real y la eficiencia térmica máxima posible (reversible) bajo las mismas condiciones:

Con base en esta definición, las eficiencias según la segunda ley para las dos máquinas térmicas analizadas anteriormente son:

CAMBIO DE EXERGIA DE UN SISTEMA

La propiedad exergia 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 equilibrio con el ambiente. Al contrario de la energía, el valor de la exergía depende tanto del estado del ambiente como del estado del sistema, por lo tanto la exergía es una propiedad de combinación. La exergía de un sistema que está en equilibrio con su ambiente es cero. El estado del ambiente se conoce como “estado muerto” porque desde el punto de vista termodinámico el sistema está prácticamente “muerto” (no puede hacer trabajo) cuando alcanza tal estado.

En esta sección el análisis se limita a la exergia termomecanica, por lotanto no se toma en cuenta cualquier tipo de reacciones químicas y de mezclado.

Así, un sistema en este “estado muerto restringido” está a la temperaturay la presión del ambiente y no tiene energías cinética o potencial relativasAl ambiente, sin embargo puede tener una composición química diferente aéste.

La exergía asociada con composiciones químicas diferentes y reaccionesQuímicas se analiza en capítulos posteriores.

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

En general, la energía interna consiste en energías sensible, latente, químicay nuclear.

Sin embargo, en ausencia de cualquier reacción química o nuclear,las energías química y nuclear son insignificantes, de manera que es posibleconsiderar que la energía interna consiste únicamente en energías sensibley latente que pueden ser transferidas hacia o desde un sistema como calor,siempre y cuando haya una diferencia de temperatura a través de la fronteradel sistema.

La segunda ley de la termodinámica establece que el calor nopuede convertirse completamente en trabajo, por lo tanto el potencial de trabajode la energía interna debe ser menor que la propia energía interna.