Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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EXERGÍA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL
Hierro
200 °C
27 °C
Q ent
Análisis Se considera el bloque de hierro como el sistema, el cual es un
sistema cerrado porque ninguna masa cruza su frontera. Se observa que ese
calor es perdido por el sistema.
Probablemente le sorprenda que se le esté pidiendo encontrar el “trabajo
reversible” para un proceso que no involucra ninguna interacción de trabajo;
ahora bien, aun cuando no se intenta producir trabajo durante este proceso, el
potencial para realizarlo existe, y el trabajo reversible es una medida cuantitativa
de este potencial.
El trabajo reversible en este caso se determina al considerar una serie de
máquinas térmicas reversibles imaginarias que operan entre la fuente (a una
temperatura variable T) y el sumidero (a una temperatura constante T 0 ), como
se muestra en la figura 8-13. Sumando su salida de trabajo:
dW re v h tér,rev dQ ent a 1 T sumidero
T fuente
b dQ ent a 1 T 0
T b dQ ent
MT
reversible
W rev
y
W re v a 1 T 0
T b dQ ent
Alrededores
27 °C
FIGURA 8-13
Un proceso de transferencia de calor
irreversible puede volverse reversible
mediante el uso de una máquina térmica
reversible.
La temperatura T de la fuente cambia de T 1 200 °C 473 K a T 0
27 °C 300 K durante este proceso. Una relación para la diferencial de la
transferencia de calor desde el bloque de hierro puede obtenerse de la forma
diferencial del balance de energía aplicado al bloque de hierro,
Entonces,
T ransferencia neta de ener gía
por calor , trabajo y masa
dQ entrada,máquina térmica
dE ent dE sal dE sistema
⎭
⎫⎪
⎪⎬⎪⎪
Cambio de ener gías interna,
cinética, potencial, etcétera
dQ sal dU mc prom dT
dQ salida,sistema mc prom dT
dado que las transferencias de calor del hierro y la máquina térmica son iguales
en magnitud y opuestas en dirección. Al sustituir e integrar, el trabajo
reversible queda determinado por
⎫
⎪⎬⎪⎭
W re v
T 0
a 1 T 0
T b1 mc prom dT 2 mc prom 1T 1 T 0 2 mc prom T 0 ln T 1
T
T 0
1
1500 kg 2 10.45 kJ >kg # K 2 c1473 30 0 2 K 1300 K 2 ln
473 K
300 K d
8 191 kJ
donde el valor del calor específico se obtiene de la tabla A.3. El primer término
en la ecuación anterior [Q mc prom (T 1 T 0 ) 38 925 kJ] es la transferencia
de calor total del bloque de hierro hacia la máquina térmica. El trabajo
reversible para este problema es igual a 8 191 kJ, lo que significa que
de los 38 925 kJ, 8 191 (21 por ciento) de calor transferidos desde el bloque
de hierro hacia el aire del ambiente podrían convertirse en trabajo. Si la temperatura
ambiente especificada de 27 °C es la más baja disponible de éste,
el trabajo reversible determinado anteriormente también representa la exergía
que es el potencial de trabajo máximo de la energía sensible contenida en el
bloque de hierro.