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José Agüera Soriano 2012 1
Será el final de la tierra?
SEGUNDO PRINCIPIO
José Agüera Soriano 2012 2
SEGUNDO PRINCIPIO. EXERGÍA
PROCESOS CÍCLICOS
PROCESOS NO-CÍCLICOS
EXERGÍA
EFICIENCIA ENERGÉTICA
José Agüera Soriano 2012 3
Enunciados diversos
Como ya se indicó en la introducción de este texto, el enun-
ciado general del segundo principio de la Termodinámica
es la propia ley de la degradación de la energía.
Cualquier consecuencia de esta ley puede servir para
enunciarlo. Por muy diferentes que puedan parecer los
enunciados, siempre tendrán un denominador común:
la ley de la degradación de la energía
José Agüera Soriano 2012 4
Enunciado del autor
3ª edición (1977) y siguientes
El calor es una energía inferior
José Agüera Soriano 2012 5
Enunciado del autor
3ª edición (1977) y siguientes
Deducción lógica que hace el autor partiendo de las
leyes de conservación y de degradación de la energía.
El calor es una energía inferior
José Agüera Soriano 2012 6
•
El calor es una energía inferior
Suministremos trabajo de
rozamiento Wr al sistema
de la figura mediante un
ventilador o una resistencia
eléctrica por ejemplo. Parte
de la exergía utilizada entró
transformada en anergía;
incluso toda si la temperatura
del sistema es la del medio
ambiente (Ta).
V
A
V
A
Wr
rW
Q
SISTEMA
>T
exergíaW=
E Wr( ) ( )A Wr
Ta
exergía
calor
anergía
José Agüera Soriano 2012 7
•
El calor es una energía inferior
Si (T > Ta), podemos extraer
un calor Q, en la misma can-
tidad, con lo que el sistema
queda igual que estaba. Con
dicho calor es un hecho que
podemos obtener trabajo en
un motor térmico; luego con
el calor sale:
exergía y anergía
V
A
V
A
Wr
rW
Q
SISTEMA
>T
exergíaW=
E Wr( ) ( )A Wr
Ta
exergía
calor
anergía
José Agüera Soriano 2012 8
•
El calor es una energía inferior
Si (T > Ta), podemos extraer
un calor Q, en la misma can-
tidad, con lo que el sistema
queda igual que estaba. Con
dicho calor es un hecho que
podemos obtener trabajo en
un motor térmico; luego con
el calor sale:
exergía y anergía
V
A
V
A
Wr
rW
Q
SISTEMA
>T
exergíaW=
E Wr( ) ( )A Wr
Ta
exergía
calor
anergía
calor exergía anergía
Q = E(Q) + A(Q)
José Agüera Soriano 2012 9
calor exergía anergía
Q = E(Q) + A(Q)
V
A
V
A
Wr
rW
Q
SISTEMA
>T
exergíaW=
E Wr( ) ( )A Wr
Ta
exergía
calor
anergía
José Agüera Soriano 2012 10
El fluido dentro de un motor térmico recibe calor y da
trabajo. Por muy perfecto que sea (motor reversible)
sólo podríamos conseguir que coincida el trabajo obtenido
con la exergía que acompaña al calor al salir del sistema.
La parte anergética tendrá que eliminarla el fluido dentro
del motor de la única manera que puede hacerlo: en forma
de calor (Q2) que pasará a otro sistema de menor tempera-
tura (con frecuencia el medio ambiente).
José Agüera Soriano 2012 11
Enunciado de Sadi Carnot, primer enunciado
(experimental )
del segundo principio de la Termodinámica
para obtener TRABAJO del CALOR, se
necesitan al menos dos fuentes a distintas
temperaturas, de manera que el sistema que
evoluciona dentro del motor tome calor de la
fuente caliente y ceda una parte a la fuente fría.
José Agüera Soriano 2012 12
Representación gráfica
T<T2 1
W
2Q
Q1
MOTOR
FUENTE CALIENTE
FUENTE FRÍA
T1
21 QQW 
José Agüera Soriano 2012 13
Nicolas Léonard Sadi Carnot
(París, 1796-1832)
José Agüera Soriano 2012 14
Rendimiento térmico de un motor
21 QQW 
11 Q
W
Q
W
t


1
2
1
21
1
Q
Q
Q
QQ
t 


rendimiento térmico
T<T2 1
W
2Q
Q1
MOTOR
FUENTE CALIENTE
FUENTE FRÍA
T1
José Agüera Soriano 2012 15
1
2
1
21
1
Q
Q
Q
QQ
t 


rendimiento térmicop
2
v
III
B
A
1
adiabática
adiabática
José Agüera Soriano 2012 16
1
2
1
21
1
Q
Q
Q
QQ
t 


rendimiento térmicop
2
v
III
B
A
1
adiabática
adiabática
El calor Q1 es recibido por
el sistema durante B1A.
El calor Q2 es cedido por
sistema durante A2B.
José Agüera Soriano 2012 17
máquinas frigoríficas
Un ciclo puede realizarse
en sentido contrario a las
agujas del reloj.
Todo quedaría invertido.
FUENTE FRÍA
MÁQUINA
Q2
<T2 T1
W
FUENTE CALIENTE
Q1
1T
FRIGORÍFICA
José Agüera Soriano 2012 18
Irreversibidad térmica
Con un paso directo de calor Q se pierde la oportunidad de
obtener trabajo en un motor térmico que utilizara el sistema
A como fuente caliente y el sistema B como fuente fría.
Hay pues hay destrucción de exergía (Ed):
QTB
BTAT >
Q
A( )E Q AA Q( )
( )E Q B
( )A Q B
SISTEMA
A
B
SISTEMA
Ed
José Agüera Soriano 2012 19
ABBA )()()()( QAQAQEQEEd 
QTB
BTAT >
Q
A( )E Q AA Q( )
( )E Q B
( )A Q B
SISTEMA
A
B
SISTEMA
Ed
José Agüera Soriano 2012 20
fuente T1
fuente T2
Q1
Q2
2
1
T1
4
T2 3
p
v
Para que un motor que funcio-
ne con dos o más fuentes sea
reversible, el sistema ha de
evolucionar a través de una
serie alternativa de isotermas
y adiabáticas, y, además, las
temperaturas de las isotermas
han ser las de sus correspon-
dientes fuentes.
Con independencia
del fluido que evolucione
en su interior
Motor reversible
José Agüera Soriano 2012 21
fuente T1
fuente T2
3
Q1
Q2
2
1
T1
4
T2
p
v

 1
4
1
4
1








p
p
T
T

 1
3
2
3
2








p
p
T
T
Como da igual el fluido que
evolucione dentro del motor,
escogemos el gas perfecto:
Motor reversible
José Agüera Soriano 2012 22
fuente T1
fuente T2
3
Q1
Q2
2
1
T1
4
T2
p
v
3
4
2
1
p
p
p
p


 1
4
1
4
1








p
p
T
T

 1
3
2
3
2








p
p
T
T
Como da igual el fluido que
evolucione dentro del motor,
escogemos el gas perfecto:
Motor reversible
José Agüera Soriano 2012 23
fuente T1
fuente T2
3
Q1
Q2
2
1
T1
4
T2
p
v
2
1
11 ln
p
p
TRQ 
3
4
22
p
p
lnTRQ 
gas perfecto
Motor reversible
José Agüera Soriano 2012 24
fuente T1
fuente T2
3
Q1
Q2
2
1
T1
4
T2
p
v
2
1
11 ln
p
p
TRQ 
gas perfecto
1
2
1
2
T
T
Q
Q

resultado general
Motor reversible
3
4
22
p
p
lnTRQ 
José Agüera Soriano 2012 25
fuente T1
fuente T2
3
Q1
Q2
2
1
T1
4
T2
p
v
1
2
1
2
T
T
Q
Q

'
'
T
Q
T
Q

la relación más importante
de la Termodinámica
Para todas las isotermas
entre dos adiabáticas
concretas se ha de
cumplir que,
Motor reversible
José Agüera Soriano 2012 26
fuente T
1
2
3
4
Q
Qa
T
Ta
p
v
Factor exergético del calor
Ta
medio ambiente
máx
1)( 








Q
Q
QQE a
El contenido exergético del
calor Q se corresponde con el
máximo trabajo que del mis-
mo puede obtenerse:
José Agüera Soriano 2012 27
fuente T
1
2
3
4
Q
Qa
T
Ta
p
v
Factor exergético del calor
Ta
medio ambiente
máx
1)( 








Q
Q
QQE a
T
T
f a
e 1







T
T
QQE a
1)(
El contenido exergético del
calor Q se corresponde con el
máximo trabajo que del mis-
mo puede obtenerse:
José Agüera Soriano 2012 28
fuente T
1
2
3
4
Q
Qa
T
Ta
p
v
Factor exergético del calor
Ta
medio ambiente
máx
1)( 








Q
Q
QQE a
T
T
f a
e 1







T
T
QQE a
1)(
El contenido exergético del
calor Q se corresponde con el
máximo trabajo que del mis-
mo puede obtenerse:
T
T
Q
T
T
QQ aa






 1
calor exergía anergía
José Agüera Soriano 2012 29
EJERCICIO
Exergía del calor a 750 K y a 1200 K (Ta = 300K).
Solución
QQ
T
T
QQE a












 60,0
750
300
11)(
QQ
T
T
QQE a












 75,0
1200
300
11)(
José Agüera Soriano 2011 30
Hemos analizado lo que ocurre en un motor térmico por cada
ciclo realizado.
Por ejemplo, podría conocerse le rendimiento del ciclo a lo
largo de toda la instalación de vapor de una central térmica,
y por tanto la exergía destruida y su coste económico.
Sería sin embargo más interesante conocer lo que destruye
cada uno de los equipos, para intervenir si procede. Para
ello, hay que hacer un estudio para procesos no-cíclicos.
PROCESOS NO-CÍCLICOS
José Agüera Soriano 2012 31
calent. alta
presión nº6
presión nº4
calent. baja calent. baja
presión nº3
calent. baja
presión nº2
calent. baja
presión nº1
condensador
vapor cierres
bomba dren. calent.
baja presión nº2baja presión nº4
bomba dren. calent.
de alta
turbina
de media
turbina
baja presión
turbina de
62
economizador
vapor cierres turbinas
alimentación
bomba agua
extración condesado
bomba
27
45
36
32
29
desgasificador
alimentación
tanque agua de
5
1
58
57
100
98 99
60
4
50
3
78 76
77
71
72
73 75
74
82 80
7970 81
43
39
83
84
89 91
90
86
85
6 7
88
87
8
92
93
95
97
9
10
30
11
333740
131517 161820
41 38 34 31 94
66
42 35
27
4651
4752
25 24
96
56
44
67
49
58
21
22
23
19 condensador
caldera
purga
tanque
2
68
69
presión nº7
calent. alta
101
102
104
61
103
José Agüera Soriano 2012 32
A
A)(
T
T
QQA a

B
B)(
T
T
QQA a

(TA y TB constantes: el proceso más simple)
Exergía destruida en un paso directo de calor (Q)
TB
BTAT >
Q
A( )E Q AA Q( )
( )E Q B
( )A Q B
SISTEMA
A
B
SISTEMA
Ed
Q
José Agüera Soriano 2012 33
AB T
T
Q
T
T
QEA aa
dg 
BA
BA
TT
TT
TQE ad



TB
BTAT >
Q
A( )E Q AA Q( )
( )E Q B
( )A Q B
SISTEMA
A
B
SISTEMA
Ed
Q
José Agüera Soriano 2012 34
AB T
T
Q
T
T
QEA aa
dg 
BA
BA
TT
TT
TQE ad



La exergía destruida es menor cuando las temperaturas
de los sistemas son elevadas.
TB
BTAT >
Q
A( )E Q AA Q( )
( )E Q B
( )A Q B
SISTEMA
A
B
SISTEMA
Ed
Q
José Agüera Soriano 2012 35
(temperaturas variables)
AB
AB )()(
T
T
dQ
T
T
dQQdAQdAdE aa
d 
 
AB
AB )()(
T
dQ
T
T
dQ
TQAQAE aad
Descomponemos el proceso en infinitos procesos parciales,
para después integrar:
Exergía destruida en un paso directo de calor
José Agüera Soriano 2012 36
AB
AB )()(
T
T
dQ
T
T
dQQdAQdAdE aa
d 
Descomponemos el proceso en infinitos procesos parciales,
para después integrar:
En principio, el cálculo podría hacerse si se conocen los
caminos, o transformaciones termodinámicas, tanto del
sistema A como del sistema B. Así, sustituiríamos en
ambos términos dQ por sus correspondientes expresiones.
Pero ¿y si NO están definidos los estados intermedios?
(temperaturas variables)
Exergía destruida en un paso directo de calor
 
AB
AB )()(
T
dQ
T
T
dQ
TQAQAE aad
José Agüera Soriano 2012 37
como ocurre, por ejemplo, en una libre expansión.
V
SISTEMA
José Agüera Soriano 2012 38
como ocurre, por ejemplo, en una libre expansión.
Sin embargo, la exergía destruida está bien definida en cada
caso, y su cálculo ha de ser factible; pero, puesto que no hay
camino, sólo podría calcularse mediante una función de
estado ¿no será dQ/T una diferencial exacta y por tanto
integrable? En efecto,
V
SISTEMA
José Agüera Soriano 2012 39
como ocurre, por ejemplo, en una libre expansión.
Sin embargo, la exergía destruida está bien definida en cada
caso, y su cálculo ha de ser factible; pero, puesto que no hay
camino, sólo podría calcularse mediante una función de
estado ¿no será dQ/T una diferencial exacta y por tanto
integrable? En efecto,
1/T es un factor de integración
Clausius fue el que descubrió esta propiedad, a la que llamó
ENTROPÍA (S)
V
SISTEMA
José Agüera Soriano 2012 40
Rudolf Emanuel Clausius
(Polonia, 1822-1888)
Se le considera el fundador
de la Termodinámica
José Agüera Soriano 2012 41
Comprobación
Dos caminos 1M2 y 1N2. Tracemos las infinitas adiabáticas
entre los estados 1 y 2. Entre dos de ellas infinitamente
próximas, se ha de verificar,
T
T '
'
p
v
2
1
M
N
A2
A1
dQ
dQ
'
'
T
dQ
T
dQ

José Agüera Soriano 2012 42
Comprobación
Dos caminos 1M2 y 1N2. Tracemos las infinitas adiabáticas
entre los estados 1 y 2. Entre dos de ellas infinitamente
próximas, se ha de verificar,
T
T '
'
p
v
2
1
M
N
A2
A1
dQ
dQ
 
1N21M2 '
'
T
dQ
T
dQ
NO depende del camino:
es función de estado
'
'
T
dQ
T
dQ

José Agüera Soriano 2012 43
Comprobación
Dos caminos 1M2 y 1N2. Tracemos las infinitas adiabáticas
entre los estados 1 y 2. Entre dos de ellas infinitamente
próximas, se ha de verificar,
T
T '
'
p
v
2
1
M
N
A2
A1
dQ
dQ
 
1N21M2 '
'
T
dQ
T
dQ

2
112
T
dQ
ss
'
'
T
dQ
T
dQ

NO depende del camino:
es función de estado
José Agüera Soriano 2012 44



2
112
T
dvpdu
ss
Entropía de gases perfectos con capacidades
caloríficas constantes
José Agüera Soriano 2012 45



2
112
T
dvpdu
ss
 


2
1
2
112
v
dv
R
T
dTc
ss v
Entropía de gases perfectos con capacidades
caloríficas constantes
José Agüera Soriano 2012 46



2
112
T
dvpdu
ss
1
2
1
2
12 lnln
v
v
R
T
T
css v 
 


2
1
2
112
v
dv
R
T
dTc
ss v
Entropía de gases perfectos con capacidades
caloríficas constantes
José Agüera Soriano 2012 47



2
112
T
dvpdu
ss 


2
112
T
dpvdh
ss
1
2
1
2
12 lnln
v
v
R
T
T
css v 
 


2
1
2
112
v
dv
R
T
dTc
ss v
Entropía de gases perfectos con capacidades
caloríficas constantes
José Agüera Soriano 2012 48



2
112
T
dvpdu
ss 


2
112
T
dpvdh
ss
1
2
1
2
12 lnln
v
v
R
T
T
css v 
 


2
1
2
112
p
dp
R
T
dTc
ss
p
 


2
1
2
112
v
dv
R
T
dTc
ss v
Entropía de gases perfectos con capacidades
caloríficas constantes
José Agüera Soriano 2012 49



2
112
T
dvpdu
ss 


2
112
T
dpvdh
ss
1
2
1
2
12 lnln
v
v
R
T
T
css v 
 


2
1
2
112
p
dp
R
T
dTc
ss
p
 


2
1
2
112
v
dv
R
T
dTc
ss v
1
2
1
2
12 lnln
p
p
R
T
T
css p 
Entropía de gases perfectos con capacidades
caloríficas constantes
Como se ve, su variación sólo depende de las propiedades de
los estados inicial (1) y final (2).
José Agüera Soriano 2012 50
Anergía
ST
T
dQ
TA aa  
STA a 
José Agüera Soriano 2012 51
Anergía
ST
T
dQ
TA aa  
STA a 
la entropía es una propiedad inherente a
las energías inferiores, concretamente
a su componente anergética
José Agüera Soriano 2012 52
Entropía generada
 dos sistemas
0AB  SSSg
José Agüera Soriano 2012 53
 varios sistemas
0i  SSg
Entropía generada
 dos sistemas
0AB  SSSg
Es igual a la suma algebraica de las variaciones de entropía que
sufre cada uno de los sistemas que intervienen en proceso.
José Agüera Soriano 2012 54
 varios sistemas
0i  SSg
Entropía generada
 dos sistemas
0AB  SSSg
gadg STEA 
Es igual a la suma algebraica de las variaciones de entropía que
sufre cada uno de los sistemas que intervienen en proceso.
José Agüera Soriano 2012 55
 Un solo sistema (sistema adiabático)
012i  SSSSg
José Agüera Soriano 2012 56
 Un solo sistema (sistema adiabático)
012i  SSSSg
En las transformaciones adiabáticas: Q = 0 y Wr = 0
(reversible); la entropía del sistema no varía: s = K.
José Agüera Soriano 2012 57
 Un solo sistema (sistema adiabático)
012i  SSSSg
En las transformaciones adiabáticas: Q = 0 y Wr = 0
(reversible); la entropía del sistema no varía: s = K.
A partir de ahora, a las adiabáticas les
llamaremos más frecuentemente
isoentrópicas o isentrópicas.
José Agüera Soriano 2012 58
Isócoras v = K
Isobaras p = K
Isotermas T = K
Adiabática s = K
Así pues, en las cuatro transformaciones teóricas definidas
hay una propiedad que se mantiene constante:
José Agüera Soriano 2012 59
Enunciados
la entropía de un sistema adiabático nunca puede
disminuir: se mantiene constante si el
proceso en su interior es reversible
y aumenta si es irreversible.
José Agüera Soriano 2012 60
Enunciados
la entropía de un sistema adiabático nunca puede
disminuir: se mantiene constante si el
proceso en su interior es reversible
y aumenta si es irreversible.
la única forma de que la entropía de un sistema
disminuya es cediendo calor; en cambio
aumenta cuando recibe calor y/o cuando
se produce en su interior cualquier
tipo de irreversibilidad.
José Agüera Soriano 2012 61
r
ar
aad W
T
T
T
W
TSSTE  )( 12
Solución
EJERCICIO
Exergía destruida con Wr (Ta = 300 K):
a) 1000 K, b) 600 K, c) 300 K.
José Agüera Soriano 2012 62
r
ar
aad W
T
T
T
W
TSSTE  )( 12
Solución
EJERCICIO
Exergía destruida con Wr (Ta = 300 K):
a) 1000 K, b) 600 K, c) 300 K.
a) (30%)3,0
1000
300
rrd WWE 
José Agüera Soriano 2012 63
r
ar
aad W
T
T
T
W
TSSTE  )( 12
Solución
EJERCICIO
Exergía destruida con Wr (Ta = 300 K):
a) 1000 K, b) 600 K, c) 300 K.
a) (30%)3,0
1000
300
rrd WWE 
b) (50%)5,0
600
300
rrd WWE 
José Agüera Soriano 2012 64
r
ar
aad W
T
T
T
W
TSSTE  )( 12
Solución
EJERCICIO
Exergía destruida con Wr (Ta = 300 K):
a) 1000 K, b) 600 K, c) 300 K.
a) (30%)3,0
1000
300
rrd WWE 
b) (50%)5,0
600
300
rrd WWE 
c) (100%)
300
300
rrd WWE 
José Agüera Soriano 2012 65
Sg = S2 + S1 + Sciclo = S2  S1
EJERCICIO
FUENTE CALIENTE
FUENTE FRÍA
S1
S 2
SISTEMA
motorreversible
Wmáx
José Agüera Soriano 2012 66
Sg = S2 + S1 + Sciclo = S2  S1
EJERCICIO
FUENTE CALIENTE
FUENTE FRÍA
S1
S 2
SISTEMA
motorreversible
Wmáx
SISTEMA
motorirreversible
FUENTE FRÍA
2S
FUENTE CALIENTE
1S
W
1S
 2S
'
'
gS
José Agüera Soriano 2012 67
EJERCICIO
Solución
1-N
N-2
1-M-2
Para que sean térmicamente reversibles las transformaciones
de la figura ¿cuántas fuentes se necesitan en cada una?
N
2
M
FUENTE
Q
K=T s=
K
p
v
1
José Agüera Soriano 2012 68
Solución
una1-N
N-2
1-M-2
N
2
M
FUENTE
Q
K=T s=
K
p
v
1
EJERCICIO
Para que sean térmicamente reversibles las transformaciones
de la figura ¿cuántas fuentes se necesitan en cada una?
José Agüera Soriano 2012 69
Solución
una
ninguna
1-N
N-2
1-M-2
N
2
M
FUENTE
Q
K=T s=
K
p
v
1
EJERCICIO
Para que sean térmicamente reversibles las transformaciones
de la figura ¿cuántas fuentes se necesitan en cada una?
José Agüera Soriano 2012 70
Solución
una
ninguna
infinitas
1-N
N-2
1-M-2
N
2
M
FUENTE
Q
K=T s=
K
p
v
1
EJERCICIO
Para que sean térmicamente reversibles las transformaciones
de la figura ¿cuántas fuentes se necesitan en cada una?
José Agüera Soriano 2012 71
A1N2Bárea0 122N1
 uuWr
Solución
A1N2Bárea0 122N1
 uuWr
Solución
Si Q = 0, de los caminos 1N2 y 1M2 ¿por cuál de ellos es
mayor Wr y por cuál se destruye más exergía?
EJERCICIO
p
v
1
N
2
M
K=T
s=
K
A B
José Agüera Soriano 2012 72
A1N2Bárea0 122N1
 uuWr
Solución
A1N2Bárea0 122N1
 uuWr
Solución
2M12N1 rr WW 
A1M2Bárea0 122M1
 uuWr
Si Q = 0, de los caminos 1N2 y 1M2 ¿por cuál de ellos es
mayor Wr y por cuál se destruye más exergía?
EJERCICIO
p
v
1
N
2
M
K=T
s=
K
A B
José Agüera Soriano 2012 73
A1N2Bárea0 122N1
 uuWr
Solución
A1N2Bárea0 122N1
 uuWr
Solución
2M12N1 rr WW 
A1M2Bárea0 122M1
 uuWr
la misma
Si Q = 0, de los caminos 1N2 y 1M2 ¿por cuál de ellos es
mayor Wr y por cuál se destruye más exergía?
EJERCICIO
p
v
1
N
2
M
K=T
s=
K
A B
)( 12 ssTE ad 
José Agüera Soriano 2012 74
dsTdWdQ
T
dWdQ
ds r
r


 ;
2
Q
Wr
p
v
1
Primer principio en función de la entropía
José Agüera Soriano 2012 75
dsTdWdQ
T
dWdQ
ds r
r


 ;
2
Q
Wr
p
v
1
Primer principio en función de la entropía
 
2
1
dsTWQ r
José Agüera Soriano 2012 76



dsT
dTcdtc
dWdQ r
.
.
expresiones usuales del PRIMER PRINCIPIO
1er miembro
José Agüera Soriano 2012 77



dsT
dTcdtc
dWdQ r
.
.
dpvdh
dvpdu

 .
expresiones usuales del PRIMER PRINCIPIO
1er miembro 2º miembro
José Agüera Soriano 2012 78
CÁLCULO DE EXERGÍAS
Exergía del calor cuando las temperaturas varían
e(Q) = Q – a(Q)
José Agüera Soriano 2012 79
CÁLCULO DE EXERGÍAS
Exergía del calor cuando las temperaturas varían
)()( 12 ssTQQe a 
Aplicable tanto al sistema que cede el calor
como al que lo recibe.
e(Q) = Q – a(Q)
José Agüera Soriano 2012 80
A la energía interna utilizable del sistema hasta alcanzar el
estado muerto,
auu 
Exergía de un sistema cerrado
José Agüera Soriano 2012 81
A la energía interna utilizable del sistema hasta alcanzar el
estado muerto,
auu 
hay que restarle su componente anergética y el trabajo
debido a la presión atmosférica:
Exergía de un sistema cerrado
)( aa ssT  )( vvp aa 
José Agüera Soriano 2012 82
A la energía interna utilizable del sistema hasta alcanzar el
estado muerto,
auu 
hay que restarle su componente anergética y el trabajo
debido a la presión atmosférica:
Exergía de un sistema cerrado
)( aa ssT  )( vvp aa 
)()( aaaaau vvpssTuue 
José Agüera Soriano 2012 83
la exergía de un sistema cerrado es
siempre positiva, menos en el estado
muerto que es nula.
José Agüera Soriano 2012 84
la exergía de un sistema cerrado es
siempre positiva, menos en el estado
muerto que es nula.
T > Ta y p > pa contiene exergía
José Agüera Soriano 2012 85
la exergía de un sistema cerrado es
siempre positiva, menos en el estado
muerto que es nula.
T > Ta y p > pa contiene exergía
T < Ta y p > pa contiene exergía
José Agüera Soriano 2012 86
la exergía de un sistema cerrado es
siempre positiva, menos en el estado
muerto que es nula.
T > Ta
T <Ta
p < pa contiene exergía
T > Ta y p > pa contiene exergía
T < Ta y p > pa contiene exergía
a
I
h
II M
II
I
Sap ·
P
GE=0
GM
SISTEMA A
< pp
José Agüera Soriano 2012 87
ahh 
A la entalpía utilizable del sistema hasta alcanzar el estado
muerto,
Exergía entálpica
)( aa ssT 
hay que restarle su componente anergética:
José Agüera Soriano 2012 88
ahh 
A la entalpía utilizable del sistema hasta alcanzar el estado
muerto,
Exergía entálpica
)( aa ssT 
)( aaa ssThhe  Z.Rant(1956)
hay que restarle su componente anergética:
José Agüera Soriano 2012 89
ahh 
A la entalpía utilizable del sistema hasta alcanzar el estado
muerto,
Exergía entálpica
)( aa ssT 
)( aaa ssThhe  Z.Rant(1956)
aaa hhssT  )(
Puede resultar negativa si la presión es
suficientemente baja
hay que restarle su componente anergética:
José Agüera Soriano 2012 90
Exergía de un flujo
h
c

2
2

Si en la energía de un flujo,
José Agüera Soriano 2012 91
Exergía de un flujo
h
c

2
2

e
c
ef 
2
2
Si en la energía de un flujo,
sustituimos la entalpía por su exergía, obtenemos la
exergía del flujo:
José Agüera Soriano 2012 92
EFICIENCIA DE UN PROCESO ENERGÉTICO
Balance exergético
producto P
a la exergía contenida en la utilidad
deseada en el equipo analizado;
fuel F
a la exergía empleada para conseguir
dicha utilidad
Llamemos,
José Agüera Soriano 2012 93
F
P

Eficiencia y coste exergético
P
F
keficiencia coste exergético unitario
En general,
José Agüera Soriano 2012 94
F
P

e
s
E
E

Eficiencia y coste exergético
P
F
keficiencia coste exergético unitario
s
e
E
E
k eficiencia coste exergético unitario
En general,
Cuando hay un solo flujo,
José Agüera Soriano 2012 95
F
P

e
s
E
E

Eficiencia y coste exergético
P
F
keficiencia coste exergético unitario
s
e
E
E
k eficiencia coste exergético unitario
En general,
Cuando hay un solo flujo,
Subíndice s salida y subíndice e entrada.
José Agüera Soriano 2012 96
43
12
F
P
EE
EE



Cambiador de calor
3
21
4
frío
flujo
flujo caliente
destrucción: Ed
José Agüera Soriano 2012 97
43
12
F
P
EE
EE



Cambiador de calor
12
43
P
F
EE
EE
k



3
21
4
frío
flujo
flujo caliente
destrucción: Ed
José Agüera Soriano 2012 98
DIAGRAMA ENERGÉTICO DIAGRAMA EXERGÉTICO
H1
H3
4H
H2
E3
4E
E2
1E
Ed
Cambiador de calor
diagramas de Sankey
José Agüera Soriano 2012 99
21F
P
EE
Wt


Turbina de gas o de vapor
DIAGRAMA ENERGÉTICO DIAGRAMA EXERGÉTICO
H2
Wt
H1
2E
Wt
1E
Ed
José Agüera Soriano 2012 100
Compresor o bomba adiabáticos
tW
EE 12
F
P 

DIAGRAMA ENERGÉTICO DIAGRAMA EXERGÉTICO
2H
Wt
H1
2E
tW
1E
Ed
José Agüera Soriano 2012 101
Será el final de la tierra?
José Agüera Soriano 2012 102
'
'
'
FUENTE T1 FUENTE 1T'
FUENTE 2T FUENTE T2
SISTEMA
motor
reversible
1QQ1
2Q Q2
Wmax
' '
1
v
p
T1
1TT2
T2
A
A
A A
SISTEMA ADIABÁTICO
=S Sg 2
F
S1-
Wr
0S=
Figura 3-6
Figura 3-12
Figura 3-7
Figuras no incluidas en las diapositivas
José Agüera Soriano 2012 103
transformación
1N2 1M2
transformación
SISTEMA
SISTEMA
A
B
SA Sg S A Sg
1N2Q
S =B S-S2 1 =SB S2 S1-
Q1M2
SISTEMA
SISTEMA
B
A
B
Q
A
>T TA
S
BS
Sg
IRREVERSIBLE
B
BS
Q
SISTEMA
SISTEMA
+T
A
REVERSIBLE
AS
dT
T
Sg = 0
Figura 3-11Figura 3-10
Ejercicio 3-3.5
José Agüera Soriano 2012 104
3pp
p
v
1pp1
2
3
T=T1
Ks=
Q
2Q
1
2pp
1pp
p
v
1Q
K=T
Q23 2
1
K=s
T
Q
4
=T
v
T=
2
2 T
2
3
p 1
Q1
1
p
1
v2 1v v
1Q
2
Ks=
s=K
3
4
2Q
1
2v 3v v1 v
Qp
2
2
K
=Ks
=s
4
Q
1
3
p
p
p
v
K
1
=s
1
=Ks
2
2
Q1
3
Q2
4
Problema 3-1
Problema 3-9Problema 3-8Problema 3-7
Problema 3-6Problema 3-4
José Agüera Soriano 2012 105
=300 KT1
FUENTE FRÍA
FUENTE CALIENTE
P
Q1
·
Q2
·
T2 273 K=
=2T 300 K
T =
Q1
1
Q2
600 K
W2W1 1Q
2
'
Q '
FUENTE FRÍA
FUENTE CALIENTE
W
300 K=2T
1Q
900 K=T1
2Q
600 K=1T
Q2
1Q '
'
'
ambiente
fluido
fluido
caliente
fuente
dE
E Q1( )=81,69
=70( )E Q1
=51W =8( )E Q2
1=11,69
=11cdE
Ed2=8
'
'
SISTEMASISTEMA
V
A B
Problema 3-12
Problema 3-14 Problema 3-15
Problema 3-18
Problema 3-29
José Agüera Soriano 2012 106
I
II
ºC500=t
F
FUENTE
SISTEMA
vacío
10 cm
I
II
SISTEMA
F
F
W
SISTEMA
II
I
F
'
p
v
B1
A1
2
B1p
p2
pA1
1T=T
T
2T=
F
SISTEMA
A
Ap ·S
SISTEMA
B
·Bp S
Problema 3-39Problema 3-37Problema 3-36
Problema 3-35

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Exergía y procesos no cíclicos

  • 1. José Agüera Soriano 2012 1 Será el final de la tierra? SEGUNDO PRINCIPIO
  • 2. José Agüera Soriano 2012 2 SEGUNDO PRINCIPIO. EXERGÍA PROCESOS CÍCLICOS PROCESOS NO-CÍCLICOS EXERGÍA EFICIENCIA ENERGÉTICA
  • 3. José Agüera Soriano 2012 3 Enunciados diversos Como ya se indicó en la introducción de este texto, el enun- ciado general del segundo principio de la Termodinámica es la propia ley de la degradación de la energía. Cualquier consecuencia de esta ley puede servir para enunciarlo. Por muy diferentes que puedan parecer los enunciados, siempre tendrán un denominador común: la ley de la degradación de la energía
  • 4. José Agüera Soriano 2012 4 Enunciado del autor 3ª edición (1977) y siguientes El calor es una energía inferior
  • 5. José Agüera Soriano 2012 5 Enunciado del autor 3ª edición (1977) y siguientes Deducción lógica que hace el autor partiendo de las leyes de conservación y de degradación de la energía. El calor es una energía inferior
  • 6. José Agüera Soriano 2012 6 • El calor es una energía inferior Suministremos trabajo de rozamiento Wr al sistema de la figura mediante un ventilador o una resistencia eléctrica por ejemplo. Parte de la exergía utilizada entró transformada en anergía; incluso toda si la temperatura del sistema es la del medio ambiente (Ta). V A V A Wr rW Q SISTEMA >T exergíaW= E Wr( ) ( )A Wr Ta exergía calor anergía
  • 7. José Agüera Soriano 2012 7 • El calor es una energía inferior Si (T > Ta), podemos extraer un calor Q, en la misma can- tidad, con lo que el sistema queda igual que estaba. Con dicho calor es un hecho que podemos obtener trabajo en un motor térmico; luego con el calor sale: exergía y anergía V A V A Wr rW Q SISTEMA >T exergíaW= E Wr( ) ( )A Wr Ta exergía calor anergía
  • 8. José Agüera Soriano 2012 8 • El calor es una energía inferior Si (T > Ta), podemos extraer un calor Q, en la misma can- tidad, con lo que el sistema queda igual que estaba. Con dicho calor es un hecho que podemos obtener trabajo en un motor térmico; luego con el calor sale: exergía y anergía V A V A Wr rW Q SISTEMA >T exergíaW= E Wr( ) ( )A Wr Ta exergía calor anergía calor exergía anergía Q = E(Q) + A(Q)
  • 9. José Agüera Soriano 2012 9 calor exergía anergía Q = E(Q) + A(Q) V A V A Wr rW Q SISTEMA >T exergíaW= E Wr( ) ( )A Wr Ta exergía calor anergía
  • 10. José Agüera Soriano 2012 10 El fluido dentro de un motor térmico recibe calor y da trabajo. Por muy perfecto que sea (motor reversible) sólo podríamos conseguir que coincida el trabajo obtenido con la exergía que acompaña al calor al salir del sistema. La parte anergética tendrá que eliminarla el fluido dentro del motor de la única manera que puede hacerlo: en forma de calor (Q2) que pasará a otro sistema de menor tempera- tura (con frecuencia el medio ambiente).
  • 11. José Agüera Soriano 2012 11 Enunciado de Sadi Carnot, primer enunciado (experimental ) del segundo principio de la Termodinámica para obtener TRABAJO del CALOR, se necesitan al menos dos fuentes a distintas temperaturas, de manera que el sistema que evoluciona dentro del motor tome calor de la fuente caliente y ceda una parte a la fuente fría.
  • 12. José Agüera Soriano 2012 12 Representación gráfica T<T2 1 W 2Q Q1 MOTOR FUENTE CALIENTE FUENTE FRÍA T1 21 QQW 
  • 13. José Agüera Soriano 2012 13 Nicolas Léonard Sadi Carnot (París, 1796-1832)
  • 14. José Agüera Soriano 2012 14 Rendimiento térmico de un motor 21 QQW  11 Q W Q W t   1 2 1 21 1 Q Q Q QQ t    rendimiento térmico T<T2 1 W 2Q Q1 MOTOR FUENTE CALIENTE FUENTE FRÍA T1
  • 15. José Agüera Soriano 2012 15 1 2 1 21 1 Q Q Q QQ t    rendimiento térmicop 2 v III B A 1 adiabática adiabática
  • 16. José Agüera Soriano 2012 16 1 2 1 21 1 Q Q Q QQ t    rendimiento térmicop 2 v III B A 1 adiabática adiabática El calor Q1 es recibido por el sistema durante B1A. El calor Q2 es cedido por sistema durante A2B.
  • 17. José Agüera Soriano 2012 17 máquinas frigoríficas Un ciclo puede realizarse en sentido contrario a las agujas del reloj. Todo quedaría invertido. FUENTE FRÍA MÁQUINA Q2 <T2 T1 W FUENTE CALIENTE Q1 1T FRIGORÍFICA
  • 18. José Agüera Soriano 2012 18 Irreversibidad térmica Con un paso directo de calor Q se pierde la oportunidad de obtener trabajo en un motor térmico que utilizara el sistema A como fuente caliente y el sistema B como fuente fría. Hay pues hay destrucción de exergía (Ed): QTB BTAT > Q A( )E Q AA Q( ) ( )E Q B ( )A Q B SISTEMA A B SISTEMA Ed
  • 19. José Agüera Soriano 2012 19 ABBA )()()()( QAQAQEQEEd  QTB BTAT > Q A( )E Q AA Q( ) ( )E Q B ( )A Q B SISTEMA A B SISTEMA Ed
  • 20. José Agüera Soriano 2012 20 fuente T1 fuente T2 Q1 Q2 2 1 T1 4 T2 3 p v Para que un motor que funcio- ne con dos o más fuentes sea reversible, el sistema ha de evolucionar a través de una serie alternativa de isotermas y adiabáticas, y, además, las temperaturas de las isotermas han ser las de sus correspon- dientes fuentes. Con independencia del fluido que evolucione en su interior Motor reversible
  • 21. José Agüera Soriano 2012 21 fuente T1 fuente T2 3 Q1 Q2 2 1 T1 4 T2 p v   1 4 1 4 1         p p T T   1 3 2 3 2         p p T T Como da igual el fluido que evolucione dentro del motor, escogemos el gas perfecto: Motor reversible
  • 22. José Agüera Soriano 2012 22 fuente T1 fuente T2 3 Q1 Q2 2 1 T1 4 T2 p v 3 4 2 1 p p p p    1 4 1 4 1         p p T T   1 3 2 3 2         p p T T Como da igual el fluido que evolucione dentro del motor, escogemos el gas perfecto: Motor reversible
  • 23. José Agüera Soriano 2012 23 fuente T1 fuente T2 3 Q1 Q2 2 1 T1 4 T2 p v 2 1 11 ln p p TRQ  3 4 22 p p lnTRQ  gas perfecto Motor reversible
  • 24. José Agüera Soriano 2012 24 fuente T1 fuente T2 3 Q1 Q2 2 1 T1 4 T2 p v 2 1 11 ln p p TRQ  gas perfecto 1 2 1 2 T T Q Q  resultado general Motor reversible 3 4 22 p p lnTRQ 
  • 25. José Agüera Soriano 2012 25 fuente T1 fuente T2 3 Q1 Q2 2 1 T1 4 T2 p v 1 2 1 2 T T Q Q  ' ' T Q T Q  la relación más importante de la Termodinámica Para todas las isotermas entre dos adiabáticas concretas se ha de cumplir que, Motor reversible
  • 26. José Agüera Soriano 2012 26 fuente T 1 2 3 4 Q Qa T Ta p v Factor exergético del calor Ta medio ambiente máx 1)(          Q Q QQE a El contenido exergético del calor Q se corresponde con el máximo trabajo que del mis- mo puede obtenerse:
  • 27. José Agüera Soriano 2012 27 fuente T 1 2 3 4 Q Qa T Ta p v Factor exergético del calor Ta medio ambiente máx 1)(          Q Q QQE a T T f a e 1        T T QQE a 1)( El contenido exergético del calor Q se corresponde con el máximo trabajo que del mis- mo puede obtenerse:
  • 28. José Agüera Soriano 2012 28 fuente T 1 2 3 4 Q Qa T Ta p v Factor exergético del calor Ta medio ambiente máx 1)(          Q Q QQE a T T f a e 1        T T QQE a 1)( El contenido exergético del calor Q se corresponde con el máximo trabajo que del mis- mo puede obtenerse: T T Q T T QQ aa        1 calor exergía anergía
  • 29. José Agüera Soriano 2012 29 EJERCICIO Exergía del calor a 750 K y a 1200 K (Ta = 300K). Solución QQ T T QQE a              60,0 750 300 11)( QQ T T QQE a              75,0 1200 300 11)(
  • 30. José Agüera Soriano 2011 30 Hemos analizado lo que ocurre en un motor térmico por cada ciclo realizado. Por ejemplo, podría conocerse le rendimiento del ciclo a lo largo de toda la instalación de vapor de una central térmica, y por tanto la exergía destruida y su coste económico. Sería sin embargo más interesante conocer lo que destruye cada uno de los equipos, para intervenir si procede. Para ello, hay que hacer un estudio para procesos no-cíclicos. PROCESOS NO-CÍCLICOS
  • 31. José Agüera Soriano 2012 31 calent. alta presión nº6 presión nº4 calent. baja calent. baja presión nº3 calent. baja presión nº2 calent. baja presión nº1 condensador vapor cierres bomba dren. calent. baja presión nº2baja presión nº4 bomba dren. calent. de alta turbina de media turbina baja presión turbina de 62 economizador vapor cierres turbinas alimentación bomba agua extración condesado bomba 27 45 36 32 29 desgasificador alimentación tanque agua de 5 1 58 57 100 98 99 60 4 50 3 78 76 77 71 72 73 75 74 82 80 7970 81 43 39 83 84 89 91 90 86 85 6 7 88 87 8 92 93 95 97 9 10 30 11 333740 131517 161820 41 38 34 31 94 66 42 35 27 4651 4752 25 24 96 56 44 67 49 58 21 22 23 19 condensador caldera purga tanque 2 68 69 presión nº7 calent. alta 101 102 104 61 103
  • 32. José Agüera Soriano 2012 32 A A)( T T QQA a  B B)( T T QQA a  (TA y TB constantes: el proceso más simple) Exergía destruida en un paso directo de calor (Q) TB BTAT > Q A( )E Q AA Q( ) ( )E Q B ( )A Q B SISTEMA A B SISTEMA Ed Q
  • 33. José Agüera Soriano 2012 33 AB T T Q T T QEA aa dg  BA BA TT TT TQE ad    TB BTAT > Q A( )E Q AA Q( ) ( )E Q B ( )A Q B SISTEMA A B SISTEMA Ed Q
  • 34. José Agüera Soriano 2012 34 AB T T Q T T QEA aa dg  BA BA TT TT TQE ad    La exergía destruida es menor cuando las temperaturas de los sistemas son elevadas. TB BTAT > Q A( )E Q AA Q( ) ( )E Q B ( )A Q B SISTEMA A B SISTEMA Ed Q
  • 35. José Agüera Soriano 2012 35 (temperaturas variables) AB AB )()( T T dQ T T dQQdAQdAdE aa d    AB AB )()( T dQ T T dQ TQAQAE aad Descomponemos el proceso en infinitos procesos parciales, para después integrar: Exergía destruida en un paso directo de calor
  • 36. José Agüera Soriano 2012 36 AB AB )()( T T dQ T T dQQdAQdAdE aa d  Descomponemos el proceso en infinitos procesos parciales, para después integrar: En principio, el cálculo podría hacerse si se conocen los caminos, o transformaciones termodinámicas, tanto del sistema A como del sistema B. Así, sustituiríamos en ambos términos dQ por sus correspondientes expresiones. Pero ¿y si NO están definidos los estados intermedios? (temperaturas variables) Exergía destruida en un paso directo de calor   AB AB )()( T dQ T T dQ TQAQAE aad
  • 37. José Agüera Soriano 2012 37 como ocurre, por ejemplo, en una libre expansión. V SISTEMA
  • 38. José Agüera Soriano 2012 38 como ocurre, por ejemplo, en una libre expansión. Sin embargo, la exergía destruida está bien definida en cada caso, y su cálculo ha de ser factible; pero, puesto que no hay camino, sólo podría calcularse mediante una función de estado ¿no será dQ/T una diferencial exacta y por tanto integrable? En efecto, V SISTEMA
  • 39. José Agüera Soriano 2012 39 como ocurre, por ejemplo, en una libre expansión. Sin embargo, la exergía destruida está bien definida en cada caso, y su cálculo ha de ser factible; pero, puesto que no hay camino, sólo podría calcularse mediante una función de estado ¿no será dQ/T una diferencial exacta y por tanto integrable? En efecto, 1/T es un factor de integración Clausius fue el que descubrió esta propiedad, a la que llamó ENTROPÍA (S) V SISTEMA
  • 40. José Agüera Soriano 2012 40 Rudolf Emanuel Clausius (Polonia, 1822-1888) Se le considera el fundador de la Termodinámica
  • 41. José Agüera Soriano 2012 41 Comprobación Dos caminos 1M2 y 1N2. Tracemos las infinitas adiabáticas entre los estados 1 y 2. Entre dos de ellas infinitamente próximas, se ha de verificar, T T ' ' p v 2 1 M N A2 A1 dQ dQ ' ' T dQ T dQ 
  • 42. José Agüera Soriano 2012 42 Comprobación Dos caminos 1M2 y 1N2. Tracemos las infinitas adiabáticas entre los estados 1 y 2. Entre dos de ellas infinitamente próximas, se ha de verificar, T T ' ' p v 2 1 M N A2 A1 dQ dQ   1N21M2 ' ' T dQ T dQ NO depende del camino: es función de estado ' ' T dQ T dQ 
  • 43. José Agüera Soriano 2012 43 Comprobación Dos caminos 1M2 y 1N2. Tracemos las infinitas adiabáticas entre los estados 1 y 2. Entre dos de ellas infinitamente próximas, se ha de verificar, T T ' ' p v 2 1 M N A2 A1 dQ dQ   1N21M2 ' ' T dQ T dQ  2 112 T dQ ss ' ' T dQ T dQ  NO depende del camino: es función de estado
  • 44. José Agüera Soriano 2012 44    2 112 T dvpdu ss Entropía de gases perfectos con capacidades caloríficas constantes
  • 45. José Agüera Soriano 2012 45    2 112 T dvpdu ss     2 1 2 112 v dv R T dTc ss v Entropía de gases perfectos con capacidades caloríficas constantes
  • 46. José Agüera Soriano 2012 46    2 112 T dvpdu ss 1 2 1 2 12 lnln v v R T T css v      2 1 2 112 v dv R T dTc ss v Entropía de gases perfectos con capacidades caloríficas constantes
  • 47. José Agüera Soriano 2012 47    2 112 T dvpdu ss    2 112 T dpvdh ss 1 2 1 2 12 lnln v v R T T css v      2 1 2 112 v dv R T dTc ss v Entropía de gases perfectos con capacidades caloríficas constantes
  • 48. José Agüera Soriano 2012 48    2 112 T dvpdu ss    2 112 T dpvdh ss 1 2 1 2 12 lnln v v R T T css v      2 1 2 112 p dp R T dTc ss p     2 1 2 112 v dv R T dTc ss v Entropía de gases perfectos con capacidades caloríficas constantes
  • 49. José Agüera Soriano 2012 49    2 112 T dvpdu ss    2 112 T dpvdh ss 1 2 1 2 12 lnln v v R T T css v      2 1 2 112 p dp R T dTc ss p     2 1 2 112 v dv R T dTc ss v 1 2 1 2 12 lnln p p R T T css p  Entropía de gases perfectos con capacidades caloríficas constantes Como se ve, su variación sólo depende de las propiedades de los estados inicial (1) y final (2).
  • 50. José Agüera Soriano 2012 50 Anergía ST T dQ TA aa   STA a 
  • 51. José Agüera Soriano 2012 51 Anergía ST T dQ TA aa   STA a  la entropía es una propiedad inherente a las energías inferiores, concretamente a su componente anergética
  • 52. José Agüera Soriano 2012 52 Entropía generada  dos sistemas 0AB  SSSg
  • 53. José Agüera Soriano 2012 53  varios sistemas 0i  SSg Entropía generada  dos sistemas 0AB  SSSg Es igual a la suma algebraica de las variaciones de entropía que sufre cada uno de los sistemas que intervienen en proceso.
  • 54. José Agüera Soriano 2012 54  varios sistemas 0i  SSg Entropía generada  dos sistemas 0AB  SSSg gadg STEA  Es igual a la suma algebraica de las variaciones de entropía que sufre cada uno de los sistemas que intervienen en proceso.
  • 55. José Agüera Soriano 2012 55  Un solo sistema (sistema adiabático) 012i  SSSSg
  • 56. José Agüera Soriano 2012 56  Un solo sistema (sistema adiabático) 012i  SSSSg En las transformaciones adiabáticas: Q = 0 y Wr = 0 (reversible); la entropía del sistema no varía: s = K.
  • 57. José Agüera Soriano 2012 57  Un solo sistema (sistema adiabático) 012i  SSSSg En las transformaciones adiabáticas: Q = 0 y Wr = 0 (reversible); la entropía del sistema no varía: s = K. A partir de ahora, a las adiabáticas les llamaremos más frecuentemente isoentrópicas o isentrópicas.
  • 58. José Agüera Soriano 2012 58 Isócoras v = K Isobaras p = K Isotermas T = K Adiabática s = K Así pues, en las cuatro transformaciones teóricas definidas hay una propiedad que se mantiene constante:
  • 59. José Agüera Soriano 2012 59 Enunciados la entropía de un sistema adiabático nunca puede disminuir: se mantiene constante si el proceso en su interior es reversible y aumenta si es irreversible.
  • 60. José Agüera Soriano 2012 60 Enunciados la entropía de un sistema adiabático nunca puede disminuir: se mantiene constante si el proceso en su interior es reversible y aumenta si es irreversible. la única forma de que la entropía de un sistema disminuya es cediendo calor; en cambio aumenta cuando recibe calor y/o cuando se produce en su interior cualquier tipo de irreversibilidad.
  • 61. José Agüera Soriano 2012 61 r ar aad W T T T W TSSTE  )( 12 Solución EJERCICIO Exergía destruida con Wr (Ta = 300 K): a) 1000 K, b) 600 K, c) 300 K.
  • 62. José Agüera Soriano 2012 62 r ar aad W T T T W TSSTE  )( 12 Solución EJERCICIO Exergía destruida con Wr (Ta = 300 K): a) 1000 K, b) 600 K, c) 300 K. a) (30%)3,0 1000 300 rrd WWE 
  • 63. José Agüera Soriano 2012 63 r ar aad W T T T W TSSTE  )( 12 Solución EJERCICIO Exergía destruida con Wr (Ta = 300 K): a) 1000 K, b) 600 K, c) 300 K. a) (30%)3,0 1000 300 rrd WWE  b) (50%)5,0 600 300 rrd WWE 
  • 64. José Agüera Soriano 2012 64 r ar aad W T T T W TSSTE  )( 12 Solución EJERCICIO Exergía destruida con Wr (Ta = 300 K): a) 1000 K, b) 600 K, c) 300 K. a) (30%)3,0 1000 300 rrd WWE  b) (50%)5,0 600 300 rrd WWE  c) (100%) 300 300 rrd WWE 
  • 65. José Agüera Soriano 2012 65 Sg = S2 + S1 + Sciclo = S2  S1 EJERCICIO FUENTE CALIENTE FUENTE FRÍA S1 S 2 SISTEMA motorreversible Wmáx
  • 66. José Agüera Soriano 2012 66 Sg = S2 + S1 + Sciclo = S2  S1 EJERCICIO FUENTE CALIENTE FUENTE FRÍA S1 S 2 SISTEMA motorreversible Wmáx SISTEMA motorirreversible FUENTE FRÍA 2S FUENTE CALIENTE 1S W 1S  2S ' ' gS
  • 67. José Agüera Soriano 2012 67 EJERCICIO Solución 1-N N-2 1-M-2 Para que sean térmicamente reversibles las transformaciones de la figura ¿cuántas fuentes se necesitan en cada una? N 2 M FUENTE Q K=T s= K p v 1
  • 68. José Agüera Soriano 2012 68 Solución una1-N N-2 1-M-2 N 2 M FUENTE Q K=T s= K p v 1 EJERCICIO Para que sean térmicamente reversibles las transformaciones de la figura ¿cuántas fuentes se necesitan en cada una?
  • 69. José Agüera Soriano 2012 69 Solución una ninguna 1-N N-2 1-M-2 N 2 M FUENTE Q K=T s= K p v 1 EJERCICIO Para que sean térmicamente reversibles las transformaciones de la figura ¿cuántas fuentes se necesitan en cada una?
  • 70. José Agüera Soriano 2012 70 Solución una ninguna infinitas 1-N N-2 1-M-2 N 2 M FUENTE Q K=T s= K p v 1 EJERCICIO Para que sean térmicamente reversibles las transformaciones de la figura ¿cuántas fuentes se necesitan en cada una?
  • 71. José Agüera Soriano 2012 71 A1N2Bárea0 122N1  uuWr Solución A1N2Bárea0 122N1  uuWr Solución Si Q = 0, de los caminos 1N2 y 1M2 ¿por cuál de ellos es mayor Wr y por cuál se destruye más exergía? EJERCICIO p v 1 N 2 M K=T s= K A B
  • 72. José Agüera Soriano 2012 72 A1N2Bárea0 122N1  uuWr Solución A1N2Bárea0 122N1  uuWr Solución 2M12N1 rr WW  A1M2Bárea0 122M1  uuWr Si Q = 0, de los caminos 1N2 y 1M2 ¿por cuál de ellos es mayor Wr y por cuál se destruye más exergía? EJERCICIO p v 1 N 2 M K=T s= K A B
  • 73. José Agüera Soriano 2012 73 A1N2Bárea0 122N1  uuWr Solución A1N2Bárea0 122N1  uuWr Solución 2M12N1 rr WW  A1M2Bárea0 122M1  uuWr la misma Si Q = 0, de los caminos 1N2 y 1M2 ¿por cuál de ellos es mayor Wr y por cuál se destruye más exergía? EJERCICIO p v 1 N 2 M K=T s= K A B )( 12 ssTE ad 
  • 74. José Agüera Soriano 2012 74 dsTdWdQ T dWdQ ds r r    ; 2 Q Wr p v 1 Primer principio en función de la entropía
  • 75. José Agüera Soriano 2012 75 dsTdWdQ T dWdQ ds r r    ; 2 Q Wr p v 1 Primer principio en función de la entropía   2 1 dsTWQ r
  • 76. José Agüera Soriano 2012 76    dsT dTcdtc dWdQ r . . expresiones usuales del PRIMER PRINCIPIO 1er miembro
  • 77. José Agüera Soriano 2012 77    dsT dTcdtc dWdQ r . . dpvdh dvpdu   . expresiones usuales del PRIMER PRINCIPIO 1er miembro 2º miembro
  • 78. José Agüera Soriano 2012 78 CÁLCULO DE EXERGÍAS Exergía del calor cuando las temperaturas varían e(Q) = Q – a(Q)
  • 79. José Agüera Soriano 2012 79 CÁLCULO DE EXERGÍAS Exergía del calor cuando las temperaturas varían )()( 12 ssTQQe a  Aplicable tanto al sistema que cede el calor como al que lo recibe. e(Q) = Q – a(Q)
  • 80. José Agüera Soriano 2012 80 A la energía interna utilizable del sistema hasta alcanzar el estado muerto, auu  Exergía de un sistema cerrado
  • 81. José Agüera Soriano 2012 81 A la energía interna utilizable del sistema hasta alcanzar el estado muerto, auu  hay que restarle su componente anergética y el trabajo debido a la presión atmosférica: Exergía de un sistema cerrado )( aa ssT  )( vvp aa 
  • 82. José Agüera Soriano 2012 82 A la energía interna utilizable del sistema hasta alcanzar el estado muerto, auu  hay que restarle su componente anergética y el trabajo debido a la presión atmosférica: Exergía de un sistema cerrado )( aa ssT  )( vvp aa  )()( aaaaau vvpssTuue 
  • 83. José Agüera Soriano 2012 83 la exergía de un sistema cerrado es siempre positiva, menos en el estado muerto que es nula.
  • 84. José Agüera Soriano 2012 84 la exergía de un sistema cerrado es siempre positiva, menos en el estado muerto que es nula. T > Ta y p > pa contiene exergía
  • 85. José Agüera Soriano 2012 85 la exergía de un sistema cerrado es siempre positiva, menos en el estado muerto que es nula. T > Ta y p > pa contiene exergía T < Ta y p > pa contiene exergía
  • 86. José Agüera Soriano 2012 86 la exergía de un sistema cerrado es siempre positiva, menos en el estado muerto que es nula. T > Ta T <Ta p < pa contiene exergía T > Ta y p > pa contiene exergía T < Ta y p > pa contiene exergía a I h II M II I Sap · P GE=0 GM SISTEMA A < pp
  • 87. José Agüera Soriano 2012 87 ahh  A la entalpía utilizable del sistema hasta alcanzar el estado muerto, Exergía entálpica )( aa ssT  hay que restarle su componente anergética:
  • 88. José Agüera Soriano 2012 88 ahh  A la entalpía utilizable del sistema hasta alcanzar el estado muerto, Exergía entálpica )( aa ssT  )( aaa ssThhe  Z.Rant(1956) hay que restarle su componente anergética:
  • 89. José Agüera Soriano 2012 89 ahh  A la entalpía utilizable del sistema hasta alcanzar el estado muerto, Exergía entálpica )( aa ssT  )( aaa ssThhe  Z.Rant(1956) aaa hhssT  )( Puede resultar negativa si la presión es suficientemente baja hay que restarle su componente anergética:
  • 90. José Agüera Soriano 2012 90 Exergía de un flujo h c  2 2  Si en la energía de un flujo,
  • 91. José Agüera Soriano 2012 91 Exergía de un flujo h c  2 2  e c ef  2 2 Si en la energía de un flujo, sustituimos la entalpía por su exergía, obtenemos la exergía del flujo:
  • 92. José Agüera Soriano 2012 92 EFICIENCIA DE UN PROCESO ENERGÉTICO Balance exergético producto P a la exergía contenida en la utilidad deseada en el equipo analizado; fuel F a la exergía empleada para conseguir dicha utilidad Llamemos,
  • 93. José Agüera Soriano 2012 93 F P  Eficiencia y coste exergético P F keficiencia coste exergético unitario En general,
  • 94. José Agüera Soriano 2012 94 F P  e s E E  Eficiencia y coste exergético P F keficiencia coste exergético unitario s e E E k eficiencia coste exergético unitario En general, Cuando hay un solo flujo,
  • 95. José Agüera Soriano 2012 95 F P  e s E E  Eficiencia y coste exergético P F keficiencia coste exergético unitario s e E E k eficiencia coste exergético unitario En general, Cuando hay un solo flujo, Subíndice s salida y subíndice e entrada.
  • 96. José Agüera Soriano 2012 96 43 12 F P EE EE    Cambiador de calor 3 21 4 frío flujo flujo caliente destrucción: Ed
  • 97. José Agüera Soriano 2012 97 43 12 F P EE EE    Cambiador de calor 12 43 P F EE EE k    3 21 4 frío flujo flujo caliente destrucción: Ed
  • 98. José Agüera Soriano 2012 98 DIAGRAMA ENERGÉTICO DIAGRAMA EXERGÉTICO H1 H3 4H H2 E3 4E E2 1E Ed Cambiador de calor diagramas de Sankey
  • 99. José Agüera Soriano 2012 99 21F P EE Wt   Turbina de gas o de vapor DIAGRAMA ENERGÉTICO DIAGRAMA EXERGÉTICO H2 Wt H1 2E Wt 1E Ed
  • 100. José Agüera Soriano 2012 100 Compresor o bomba adiabáticos tW EE 12 F P   DIAGRAMA ENERGÉTICO DIAGRAMA EXERGÉTICO 2H Wt H1 2E tW 1E Ed
  • 101. José Agüera Soriano 2012 101 Será el final de la tierra?
  • 102. José Agüera Soriano 2012 102 ' ' ' FUENTE T1 FUENTE 1T' FUENTE 2T FUENTE T2 SISTEMA motor reversible 1QQ1 2Q Q2 Wmax ' ' 1 v p T1 1TT2 T2 A A A A SISTEMA ADIABÁTICO =S Sg 2 F S1- Wr 0S= Figura 3-6 Figura 3-12 Figura 3-7 Figuras no incluidas en las diapositivas
  • 103. José Agüera Soriano 2012 103 transformación 1N2 1M2 transformación SISTEMA SISTEMA A B SA Sg S A Sg 1N2Q S =B S-S2 1 =SB S2 S1- Q1M2 SISTEMA SISTEMA B A B Q A >T TA S BS Sg IRREVERSIBLE B BS Q SISTEMA SISTEMA +T A REVERSIBLE AS dT T Sg = 0 Figura 3-11Figura 3-10 Ejercicio 3-3.5
  • 104. José Agüera Soriano 2012 104 3pp p v 1pp1 2 3 T=T1 Ks= Q 2Q 1 2pp 1pp p v 1Q K=T Q23 2 1 K=s T Q 4 =T v T= 2 2 T 2 3 p 1 Q1 1 p 1 v2 1v v 1Q 2 Ks= s=K 3 4 2Q 1 2v 3v v1 v Qp 2 2 K =Ks =s 4 Q 1 3 p p p v K 1 =s 1 =Ks 2 2 Q1 3 Q2 4 Problema 3-1 Problema 3-9Problema 3-8Problema 3-7 Problema 3-6Problema 3-4
  • 105. José Agüera Soriano 2012 105 =300 KT1 FUENTE FRÍA FUENTE CALIENTE P Q1 · Q2 · T2 273 K= =2T 300 K T = Q1 1 Q2 600 K W2W1 1Q 2 ' Q ' FUENTE FRÍA FUENTE CALIENTE W 300 K=2T 1Q 900 K=T1 2Q 600 K=1T Q2 1Q ' ' ' ambiente fluido fluido caliente fuente dE E Q1( )=81,69 =70( )E Q1 =51W =8( )E Q2 1=11,69 =11cdE Ed2=8 ' ' SISTEMASISTEMA V A B Problema 3-12 Problema 3-14 Problema 3-15 Problema 3-18 Problema 3-29
  • 106. José Agüera Soriano 2012 106 I II ºC500=t F FUENTE SISTEMA vacío 10 cm I II SISTEMA F F W SISTEMA II I F ' p v B1 A1 2 B1p p2 pA1 1T=T T 2T= F SISTEMA A Ap ·S SISTEMA B ·Bp S Problema 3-39Problema 3-37Problema 3-36 Problema 3-35