sesion 7 exergia-e

8/16/2019 Sesion 7 Exergia-e

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M.Sc. HUBERT ARTEAGA MIÑANO

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SESION 7. EXERGIA

TERMODIN MIC


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índice

Potencial de trabajo de exergia

Sistema en estado muerto

Alrededores de un sistema

Representividad de exergia

Propiedades de la exergia Cambio de exergia de un sistema

Energía de una masa fija

Eficiencia de segunda ley

Cambio de exergia de un sistema Transferencia de exergia

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EXERGIA: POTENCIAL DE TRABAJO DE

LA Exergia

PROPIEDADA QUE PERMITE DETERMINARPOTENCIAL DE TRABAJO UTIL

POTENCIAL DE TRABAJO

DE LA FUENTE

La cantidad de energía que

se puede extraer como

trabajo útil.

EXERGIA

También se denomina disponibilidad o

energía disponible.

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Sistema en estado muerto

Un sistema estará enestado muerto cuando seencuentre en equilibriotermodinámico con susalrededores.

El sistema debe estar enestado muerto al final delproceso para maximizarla salida del trabajo.

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Características de un sistema muerto

No hay efectos magnéticos eléctricos ni detensión superficial des balanceados entre elsistema y sus alrededores.

Las propiedades de un sistema en el estadomuertos se denotan mediante el subíndicecero, por ejemplo:P0,T 0.

Un sistema en exergía estado muerto tienecero.

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Los alrededores de un sistema

Por definición los alrededores sontodo lo que esta fuera de las

fronteras del sistema.

ALREDEDORES INMEDIATOSque se refieren a la porción delos alrededores que es afectadapor el proceso.

El AMBIENTE que se refiere a laregión mas allá de losalrededores inmediatos cuyaspropiedades no son afectadaspor el proceso en ningún punto.

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Representividad de exergia

La atmosfera contiene una

cantidad de energía muy grande

pero cero exergia.

EXERGIA

NO REPRESENTA

La cantidad de trabajo queun dispositivo que lo produce

entregara realmente despuésde instalarlo

REPRESENTA

El limite superior de la cantidadde trabajo que un dispositivo

puede entregar sin violar ningunade la leyes termodinámicas

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Exergia asociada con la energia potencial y

cinetica

La energía cinética es unaforma de energía mecánica ypor lo tanto puede convertirse

enteramente en trabajo.

Exergía de la energía cinética de un sistema es igual a la

energía cinética misma sinimportar la temperatura o la

presión del ambiente

La energía potencial estambién una forma de

energía mecánica y por ellopuede convertirse

enteramente es trabajo.

La exergía de la energíapotencial de un sistema esigual a la energía potencial

misma sin importar latemperatura y presión del

ambiente.

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Propiedades de exergia

Sirven como valiosasherramientas en el análisistermodinámico de loscomponentes o sistemas.

Cuando un sistema seexpande y realiza trabajo,

parte de este se emplea envencer la presión atmosféricay, por ello, W aire representauna perdida. Sin embargocuando un sistema secomprime la presiónatmosférica ayuda al procesode compresión, y en

consecuencia W airerepresenta una ganancia.

La diferencia entre el trabajo real y el

trabajo de los alrededores(W aire) recibeel nombre de trabajo útil(Wu).

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Trabajo reversible

• Cualquier diferencia entre

trabajo reversible y trabajo útil,

se debe a las irreversibilidades

presentes durante el proceso y

se denomina irreversibilidad(I).

• Se define como la cantidadmáxima de trabajo útil quepuede producirse cuando unsistema se somete a unproceso entre los estados

especificados inicial i final.- Cuando el estado final es

igual al estado muerto, eltrabajo es igual a la exergia.

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Trabajo irreversible

• Es equivalente a la exergiadestruida.

• La irreversibilidad seconsidera como el potencialdesperdiciado de trabajo ola oportunidad

perdida para hacertrabajo.

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Ejemplo

: El aire tibio que rodea una papa en una habitación a

25°, corresponde a los alrededores inmediatos y la porciónrestante del aire en la habitación a 25° es el ambiente.

IRREVERSIBILIDADPor tanto cualquier

irreversibilidad durante unproceso ocurre dentro delsistema y de sus alrededoresinmediatos y el ambiente estalibre de cualquierirreversibilidad.

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Eficiencia de segunda ley

La eficiencia de la primera ley no

es suficiente para medir el valor

real del desempeño de

dispositivos ingenieriles.

Por ello es necesario definir unaeficiencia de segunda ley (nII),

como la relación entre la

eficiencia térmica real y la

eficiencia máxima posible

(reversible)en las mismas

condiciones.

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• Ejemplo:- Dos maquinas térmicas con

una eficiencia térmica de

30% . Una de las

maquinas(maquina A) se

alimenta con calor de una

fuente de 600K y la otra

maquina ( maquina B) de

una fuente a 1000K. Ambas

desechan un calor en un

medio a 300k. Sus

eficiencias por 1° ley serian:

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La maquina B tiene disponible unpotencial de trabajo mas grande y porello debe desempeñarse muchísimomejor que la maquina A.

SUMINISTRO

300K

FUENTE

1000K

FUENTE

600K

A

ntmax=50%

nt=30%

B

A

ntmax=70

%

nt=30%

Las eficiencias de la segunda ley de las

2 maquinas estudiadas son:

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FORMAS DE EXPRESAR LA

EFICIENCIA DE SEGUNDA LEYDispositivos productores

de trabajo

Dispositivos queconsumen trabajo

Refrigeradores y bombas

de calor

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Cambio de exergia de un sistema

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Exergía de una masa fija

Considere un dispositivo Embolo-cilindrico que contiene un fluidode masa “m” a temperatura “T” ypresión “P”. El sistema tiene unvolumen V, una energía U y unaentropía S. Ahora se le permite al

sistema que sufra un cambiodiferencial de estado durante elque el volumen cambia por unacantidad diferencial (dv) y elcalores transferido en unacantidad diferencial δQ. Tomandolas direcciones de transferenciade calor y trabajo como desde el

sistema, el balance de energíapara el sistema durante esteproceso diferencial puedeexpresarse así

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• Sistema general con

transferencia de

calor, masa y trabajo

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Exergía de un flujo en movimiento: exergía de flujo

-La expresión final se denominaexergia de flujo y se denota porψ.

• El trabajo de flujo esesencialmente el trabajo defrontera hecho por un fluido

sobre el fluido aguas abajo, ypor lo tanto la exergia deltrabajo de flujo es equivalente ala exergia del trabajo defrontera en exceso del trabajohecho contra el aireatmosférico a P0 paradesplazarlo por un volumen “v”.

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Trasferencia de Exergía por calor, trabajo y

masa

• TRANFERENCIA DE EXERGIA POR

TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor es una forma

desorganizada de energía, y por

lo tanto solo una porción de elpuede convertirse en trabajo.

• TRANSFERENCIA DE EXERGIA

POR TRABAJO

• Transferencia de calor porexergía de masa.

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Principio de decremento de exergia y la destrucción de

exergia

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Destrucción de exergía

• La exergía destruida esproporcional a la entropíagenerada, como puede verse dela ecuación.

Note que la exergía destruida es

una cantidad positiva paracualquier proceso real y seconvierte en cero para un procesoreversible.

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Balance de exergia: sistemas cerrados

La naturaleza de la exergía esopuesta a la entropía en que laexergía puede ser destruida,pero no puede ser creada. Por lo

tanto, el cambio de exergía deun sistema durante un procesoes menor que la transferenciade exergía por una cantidadigual a la exergía destruidadurante fronteras el procesodentro de las del sistema.

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Balance de exergia: volúmenes de

control• Las relaciones de balance de

exergía para volúmenes de

control difieren delas

propias de sistemas cerrados

en que involucran un

mecanismo mas detransferencia de exergía.

• Cuando los estados inicial y

final del volumen de control

se especifican, el cambio de

exergia del volumen decontrol es:

• Tomando la dirección

positiva de transferencia de

calor hacia el sistema y la

dirección positiva de la

transferencia de trabajo,

desde el sistema, lasrelaciones generales de

balance de exergia pueden

expresarse mas

explícitamente para un

volumen de control como:

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Balance de exergia para sistemas con flujo

estable

• La mayoría de losvolúmenes en la practicacomo turbinas,compresoras, toberas,intercambiadores decalor y ductos operanestablemente y por lotanto no experimentancambios en sus

contenidos de masa,energía, entropía, yexergía, ni en susvolúmenes.

• Flujo estable

• Flujo único

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Trabajo reversible de un solo flujo

• Las relaciones de balancede exergía presentadasanteriormente puedeutilizarse para

determinar el trabajoreversible haciendo laexergía igual a cero.

• La potencia reversible para un

dispositivo de un solo flujo con flujo

estable es:

• Que se reduzca a un proceso

adiabático a: 1 8 / 0 5 / 2 0 1 5

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Eficiencia de segunda ley para dispositivos de

flujo estable

• La eficiencia de la segunda ley de diversos dispositivos de flujo estable puede

obtenerse a partir de su definición general, ŋ=(exergía recuperada)(exergía

suministrada).

• Cuando los cambios en las energías cinéticas y potencial son despreciablesla eficiencia de segunda ley de una turbina adiabática se obtiene:

• Donde Sgen = S2-S1 . Para un compresor adiabático con energíascinéticas y potencial la eficiencia de segunda ley es:

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