Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

432
EXERGÍA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL
Aire
atmosférico
P 0
Sistema
V 1
Aire
atmosférico
P 0
Sistema
V 2
FIGURA 8-8
Cuando un sistema cerrado se expande,
algún trabajo necesita ser realizado
para hacer a un lado el aire atmosférico
(W alrededores ).
Dispositivos
cíclicos
Dispositivos de
flujo estacionario
Recipientes
rígidos
FIGURA 8-9
Para sistemas de volumen constante, los
trabajos totales real y útil son idénticos
(W u W).
Estado
inicial
Proceso
reversible
W rev
I = W rev – W u
Proceso real
W u < W rev
Estado final
FIGURA 8-10
La diferencia entre el trabajo reversible y
el trabajo útil real es la irreversibilidad.
modelo (isentrópico) no es igual al de salida real y se limita a los procesos
adiabáticos.
En esta sección, se describirán dos cantidades que se relacionan con los
estados inicial y final reales de los procesos y que sirven como valiosas herramientas
en el análisis termodinámico de componentes o sistemas. Tales cantidades
son el trabajo reversible y la irreversibilidad (o destrucción de exergía).
Pero primero examinemos el trabajo de los alrededores, el cual es el trabajo
realizado por o contra los alrededores durante un proceso.
El trabajo realizado por dispositivos que producen trabajo no siempre se
halla completamente en una forma utilizable. Por ejemplo, cuando un gas en
un dispositivo de cilindro-émbolo se expande, parte del trabajo realizado por
el gas se usa para empujar el aire atmosférico fuera del camino del émbolo
(Fig. 8-8). Este trabajo que no puede recuperarse para ser utilizado en cualquier
propósito útil es igual a la presión atmosférica P 0 por el cambio de volumen
del sistema,
(8-3)
W alrededores P 0 1V 2 V 1 2
La diferencia entre el trabajo real W y el trabajo de los alrededores W alrededores
se denomina trabajo útil W u :
W u W W alrededores W P 0 1V 2 V 1 2
(8-4)
Cuando un sistema se expande y realiza trabajo, la parte del trabajo realizado
se emplea para superar la presión atmosférica, por lo tanto W alrededores representa
una pérdida. Sin embargo, cuando un sistema se comprime, la presión atmosférica
ayuda al proceso de compresión y entonces W alrededores representa una
ganancia.
Observe que el trabajo realizado por o contra la presión atmosférica sólo
tiene importancia para sistemas cuyo volumen cambia durante el proceso (es
decir, sistemas que involucran trabajo de la frontera móvil); mientras que no
tiene importancia para los dispositivos cíclicos y sistemas cuyas fronteras permanecen
fijas durante un proceso como los recipientes rígidos y dispositivos
de flujo estacionario (turbinas, compresores, toberas, intercambiadores de
calor, etc.), como se muestra en la figura 8-9.
El trabajo reversible W rev se define como la cantidad máxima de trabajo
útil que puede producirse (o el trabajo mínimo que necesita ser proporcionado)
cuando un sistema experimenta un proceso entre los estados inicial y final
especificados. Éste es el trabajo de salida útil (o entrada) obtenido (o gastado)
cuando el proceso entre los estados inicial y final se ejecuta de una manera totalmente
reversible. Cuando el estado final es el estado muerto, el trabajo reversible
es igual a la exergía. Para procesos que requieren trabajo, el trabajo reversible
representa la cantidad de trabajo mínima necesaria para llevar a cabo ese
proceso. Para fines convenientes a la presentación, a lo largo de este capítulo el
término trabajo se usa para denotar tanto el trabajo como la potencia.
Cualquier diferencia entre el trabajo reversible W rev y el útil W u , se debe a
irreversibilidades presentes durante el proceso, y esta diferencia se llama irreversibilidad
I, la cual se expresa como (Fig. 8-10)
I W rev,sal W u,sal o I W u,ent W rev,ent
(8-5)
La irreversibilidad es equivalente a la exergía destruida, analizada en la sección
8-4. Para un proceso totalmente reversible, las condiciones de trabajo reales
y reversibles son idénticas, por lo tanto la irreversibilidad es cero. Esto era
de esperarse dado que los procesos totalmente reversibles no generan entropía.
La irreversibilidad es una cantidad positiva para todo proceso real (irreversible)
porque W rev W u para dispositivos productores de trabajo y W rev W u
para dispositivos consumidores de trabajo.