Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 6
Calidad de la energía
La máquina térmica de Carnot del ejemplo 6-5 recibe calor de una fuente a
925 K y convierte 67.2 por ciento de éste en trabajo mientras rechaza el resto
(32.8 por ciento) hacia un sumidero a 303 K. Luego se examina cómo varía la
eficiencia térmica con la temperatura de la fuente cuando se mantiene constante
la temperatura del sumidero.
La eficiencia térmica de una máquina térmica de Carnot que rechaza calor
hacia un sumidero a 303 K se evalúa a distintas temperaturas de la fuente por
medio de la ecuación 6-18 y se lista en la figura 6-49. Es evidente que la eficiencia
térmica decrece cuando disminuye la temperatura de la fuente. Cuando
se suministra calor a la máquina a 500 K en lugar de 925 K, por ejemplo, la
eficiencia térmica decrece de 67.2 a 39.4 por ciento, es decir, la fracción del
calor que se puede convertir en trabajo disminuye a 39.4 por ciento cuando la
temperatura de la fuente baja a 500 K. Cuando la temperatura de la fuente es
350 K, esta fracción se convierte en un simple 13.4 por ciento.
Estos valores de eficiencia muestran que la energía tiene calidad así como
cantidad. A partir de los valores de eficiencia térmica de la figura 6-49 resulta
claro que más de la energía térmica de alta temperatura se puede convertir
en trabajo. Por lo tanto, mientras más alta sea la temperatura, mayor es la
calidad de la energía (Fig. 6-50).
Grandes cantidades de energía solar, por ejemplo, se pueden almacenar en
grandes cuerpos de agua llamados estanques solares que se hallan en alrededor
de 350 K. Esta energía almacenada se puede suministrar entonces a una
máquina térmica para producir trabajo eléctrico (electricidad). Sin embargo, la
eficiencia de las centrales eléctricas mediante estanques solares es muy baja
(menor que 5 por ciento) como resultado de la baja calidad de la energía almacenada
en la fuente, y los costos de construcción y mantenimiento son relativamente
altos. Por lo tanto, no son competitivos aun cuando el suministro de
energía de este tipo de centrales es gratis. La temperatura (y por ende la calidad)
de la energía solar almacenada se podría elevar si se utilizan colectores
concentradores, pero el costo del equipo en este caso es muy alto.
El trabajo es una forma de energía más valiosa que el calor, ya que 100 por
ciento del trabajo se puede convertir en calor, pero sólo una fracción del calor
se convierte en trabajo. Cuando se transfiere calor de un cuerpo de alta temperatura
a otro de menor temperatura, éste se degrada porque ahora menos de
él se puede convertir en trabajo. Por ejemplo, si 100 kJ de calor se transfieren
desde un cuerpo a 1 000 K hacia un cuerpo a 300 K, al final se tendrán 100 kJ
de energía térmica almacenados a 300 K, lo cual no tiene valor práctico. Pero si
esta conversión se hace por medio de una máquina térmica, hasta 1 300/1 000
70 por ciento se podría convertir en trabajo, que es una forma de energía más
valiosa. Así, 70 kJ de potencial de trabajo se desperdician como resultado de esta
transferencia de calor, por lo cual se degrada la energía.
Depósito de alta temperatura
a T H
MT rev.
η ter
T H , K
925
800
700
500
350
Depósito de baja temperatura
a T L = 303 K
η ter , %
67.2
62.1
56.7
39.4
13.4
FIGURA 6-49
Fracción de calor que se puede convertir
en trabajo como una función de la temperatura
de la fuente (para T L 303 K).
T, K
2 000
1 500
1 000
500
Energía
térmica
Calidad
FIGURA 6-50
Mientras más alta sea la temperatura de
la energía térmica, mayor es su
calidad.
Cantidad contra calidad en la vida diaria
En tiempos de crisis energética, abundan los discursos y artículos sobre cómo
“conservar” energía. Sin embargo, se sabe que la cantidad de energía se conserva.
Lo que no se conserva es la calidad de la energía o el potencial de
trabajo de ésta. Desperdiciar energía es sinónimo de convertirla en una forma
menos útil. Una unidad de energía de alta calidad puede ser más valiosa que
tres unidades de energía de menor calidad. Por ejemplo, una cantidad finita de
energía térmica a temperatura alta es más atractiva para los ingenieros de una
central eléctrica que una vasta cantidad de energía térmica a baja temperatura
como, por ejemplo, la energía almacenada en las capas superiores de los océanos
en climas tropicales.