Exergía

El término exergía también se utiliza, por analogía con su definición física, en la teoría de la información relacionada con la computación reversible . Exergía también es sinónimo de energía disponible , energía exérgica , essergy (considerado arcaico), energía utilizable , trabajo útil disponible , trabajo máximo (o mínimo) , contenido de trabajo máximo (o mínimo) , trabajo reversible , trabajo ideal , disponibilidad o trabajo disponible .

La destrucción de exergía de un ciclo es la suma de las destrucciones de exergía de los procesos que lo componen. La destrucción de exergía de un ciclo también puede determinarse sin analizar los procesos individuales, considerando el ciclo completo como un único proceso y utilizando una de las ecuaciones de destrucción de exergía.

Para dos depósitos térmicos a temperaturas T _H y T _C  < T _H , como consideró Carnot, la exergía es el trabajo W que puede realizar una máquina reversible. Específicamente, con Q _H el calor proporcionado por el depósito caliente, el análisis de Carnot da W / Q _H  = ( T _H  − T _C )/ T _H . Aunque la exergía o el trabajo máximo se determina conceptualmente utilizando un proceso ideal, es una propiedad de un sistema en un entorno dado. El análisis de exergía no se limita a ciclos reversibles, sino que abarca todos los ciclos (incluidos los no cíclicos o no ideales) y, de hecho, todos los procesos termodinámicos.

Como ejemplo, consideremos el proceso no cíclico de expansión de un gas ideal . Para la expansión libre en un sistema aislado, la energía y la temperatura no cambian, por lo que, por conservación de la energía, no se realiza trabajo. Por otro lado, para la expansión contra una pared móvil que siempre iguala la presión (variable) del gas en expansión (de modo que la pared desarrolla una energía cinética despreciable), sin transferencia de calor (pared adiabática), se realizaría el trabajo máximo. Esto corresponde a la exergía. Así, en términos de exergía, Carnot consideró la exergía para un proceso cíclico con dos depósitos térmicos (temperaturas fijas). Al igual que el trabajo realizado depende del proceso, la exergía también depende del proceso, reduciéndose al resultado de Carnot para su caso.

W. Thomson (desde 1892, Lord Kelvin), ya en 1849, se preocupaba por lo que denominaba «energía perdida», que parece ser lo mismo que «energía destruida» y lo que se ha llamado «anergia». En 1874 escribió que la «energía perdida» es la misma que la energía disipada por, por ejemplo, la fricción, la conducción eléctrica (difusión de carga impulsada por un campo eléctrico), la conducción de calor (difusión térmica impulsada por la temperatura), los procesos viscosos (difusión de momento transversal) y la difusión de partículas (tinta en agua). Por otro lado, Kelvin no indicó cómo calcular la «energía perdida». Esto se abordaría en los trabajos de Onsager de 1931 y 1932 sobre procesos irreversibles.

La exergía utiliza los límites del sistema de una forma poco familiar para muchos. Imaginamos la presencia de un motor de Carnot entre el sistema y su entorno de referencia, aunque este motor no exista en el mundo real. Su único propósito es medir los resultados de un escenario hipotético para representar la interacción de trabajo más eficiente posible entre el sistema y su entorno.

Si se elige un entorno de referencia del mundo real que se comporta como un reservorio ilimitado que permanece inalterado por el sistema, entonces la especulación de Carnot sobre las consecuencias de un sistema que tiende al equilibrio con el tiempo se aborda mediante dos enunciados matemáticos equivalentes. Sea B , la exergía o trabajo disponible, que disminuye con el tiempo, y S _total , la entropía del sistema y su entorno de referencia encerrados juntos en un sistema aislado más grande , que aumenta con el tiempo:

Para sistemas macroscópicos (por encima del límite termodinámico ), ambas afirmaciones son expresiones de la segunda ley de la termodinámica si se utiliza la siguiente expresión para la exergía:

donde las cantidades extensivas del sistema son: U = Energía interna , V = Volumen y N _i = Moles del componente i . Las cantidades intensivas del entorno son: P _R = Presión , T _R = Temperatura , μ _{i, R} = Potencial químico del componente i . De hecho, la entropía total del universo es:

el segundo término${\displaystyle -U/T_{R}-P_{R}V/T_{R}+\sum _{i}\mu _{i,R}N_{i}/T_{R}}$siendo la entropía del entorno dentro de un valor constante.

Los términos individuales también suelen tener nombres asociados:${\displaystyle P_{R}V}$se denomina "trabajo fotovoltaico disponible",${\displaystyle T_{R}S}$Se denomina "pérdida entrópica" o "pérdida de calor", y el término final se denomina "energía química disponible".

Se pueden utilizar otros potenciales termodinámicos para reemplazar la energía interna, siempre que se tenga el debido cuidado al identificar qué variables naturales corresponden a cada potencial. Para la nomenclatura recomendada de estos potenciales, véase Alberty (2001).La ecuación ( 2 ) es útil para procesos donde el volumen del sistema, la entropía y el número de moles de varios componentes cambian porque la energía interna también es una función de estas variables y de ninguna otra.

Una definición alternativa de energía interna no separa el potencial químico disponible de U. Esta expresión es útil (cuando se sustituye en la ecuación ( 1 )) para procesos donde el volumen y la entropía del sistema cambian, pero no ocurre ninguna reacción química:

En este caso, un conjunto dado de sustancias químicas con una entropía y un volumen determinados tendrá un único valor numérico para este potencial termodinámico. Un sistema multiestado puede complicar o simplificar el problema, ya que la regla de fases de Gibbs predice que las magnitudes intensivas ya no serán completamente independientes entre sí.

En 1848, William Thomson, primer barón Kelvin , formuló (e inmediatamente respondió) la pregunta

¿Existe algún principio sobre el cual se pueda fundamentar una escala termométrica absoluta? Me parece que la teoría de Carnot sobre la fuerza motriz del calor nos permite dar una respuesta afirmativa.

Con la ventaja de la perspectiva retrospectiva contenida en la ecuación ( 5 ), podemos comprender el impacto histórico de la idea de Kelvin en la física. Kelvin sugirió que la mejor escala de temperatura describiría una capacidad constante para que una unidad de temperatura en el entorno altere el trabajo disponible de la máquina de Carnot. De la ecuación ( 3 ):

Rudolf Clausius reconoció la presencia de una constante de proporcionalidad en el análisis de Kelvin y la denominó entropía en 1865, término derivado del griego que significa "transformación", ya que cuantifica la cantidad de energía perdida durante la conversión de calor en trabajo. El trabajo disponible de una máquina de Carnot alcanza su máximo cuando el entorno se encuentra a una temperatura de cero absoluto .

Los físicos, entonces como ahora, suelen observar con cierta inquietud una propiedad que incluye las palabras "disponible" o "utilizable". La idea de qué está disponible plantea la pregunta "¿disponible para qué?" y suscita la preocupación de si dicha propiedad es antropocéntrica . Las leyes derivadas a partir de una propiedad así podrían no describir el universo, sino más bien lo que la gente desea ver.

El campo de la mecánica estadística (que comenzó con el trabajo de Ludwig Boltzmann en el desarrollo de la ecuación de Boltzmann ) liberó a muchos físicos de esta preocupación. Gracias a esta disciplina, ahora sabemos que las propiedades macroscópicas pueden determinarse a partir de propiedades a escala microscópica, donde la entropía es más "real" que la temperatura misma ( véase Temperatura termodinámica ). Las fluctuaciones cinéticas microscópicas entre partículas causan una pérdida entrópica, y esta energía no está disponible para realizar trabajo porque estas fluctuaciones ocurren aleatoriamente en todas las direcciones. El acto antropocéntrico se da, a ojos de algunos físicos e ingenieros actuales, cuando alguien traza un límite hipotético; de hecho, dice: "Este es mi sistema. Lo que ocurre más allá de él es el entorno". En este contexto, la exergía se describe a veces como una propiedad antropocéntrica, tanto por quienes la utilizan como por quienes no. Sin embargo, la exergía se basa en el desequilibrio entre un sistema y su entorno, por lo que es muy real y necesaria para definir el sistema de forma distinta a su entorno. Se puede afirmar que la entropía se considera, en general, una propiedad de la materia más fundamental que la exergía.

Además de${\displaystyle U}$y${\displaystyle U[{\boldsymbol {\mu }}]}$Los otros potenciales termodinámicos se utilizan frecuentemente para determinar la exergía. Para un conjunto dado de sustancias químicas a una entropía y presión dadas, la entalpía H se utiliza en la expresión:

Para un conjunto dado de sustancias químicas a una temperatura y volumen determinados, la energía libre de Helmholtz A se utiliza en la expresión:

Para un conjunto dado de sustancias químicas a una temperatura y presión determinadas, la energía libre de Gibbs G se utiliza en la expresión:

dónde${\displaystyle G}$se evalúa a la temperatura isotérmica del sistema (${\displaystyle T}$), y${\displaystyle B}$se define con respecto a la temperatura isotérmica del entorno del sistema (${\displaystyle T_{R}}$). La exergía${\displaystyle B}$es la energía${\displaystyle H}$reducido por el producto de la entropía por la temperatura ambiente${\displaystyle T_{R}}$, que es la pendiente o derivada parcial de la energía interna con respecto a la entropía en el entorno. ^{[ 8 ]} Es decir, una mayor entropía reduce la exergía o energía libre disponible en relación con el nivel de energía.${\displaystyle H}$.

Se puede generar trabajo a partir de esta energía, como en un proceso isotérmico, pero cualquier generación de entropía durante el proceso provocará la destrucción de exergía ( irreversibilidad ) y la reducción de estos potenciales termodinámicos. Además, pueden producirse pérdidas de exergía si se transfiere masa y energía fuera del sistema a temperaturas, presiones o potenciales químicos distintos a los ambientales o elevados. Sin embargo, las pérdidas de exergía son potencialmente recuperables, ya que la exergía no se ha destruido, como ocurre en los sistemas de recuperación de calor residual (aunque la calidad energética o el contenido de exergía suele ser bajo). Como caso especial, un proceso isotérmico que opera a temperatura ambiente no tendrá pérdidas de exergía relacionadas térmicamente.

Toda la materia emite radiación continuamente como resultado de su temperatura (absoluta) distinta de cero. Este flujo de energía emitida es proporcional a la temperatura del material elevada a la cuarta potencia. Como resultado, cualquier dispositivo de conversión de radiación que busque absorber y convertir radiación (mientras refleja una fracción de la radiación de la fuente incidente) inherentemente emite su propia radiación. Además, dado que la radiación reflejada y la emitida pueden ocupar la misma dirección o ángulo sólido, los flujos de entropía, y como resultado, los flujos de exergía, generalmente no son independientes. Las ecuaciones de balance de entropía y exergía para un volumen de control (VC), reformuladas para aplicarse correctamente a situaciones que involucran transferencia radiativa, ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 9 ] [ 10 ]} se expresan como:

$${\displaystyle {\frac {dS_{CV}}{dt}}=\int _{CVboundary}({\frac {q_{cc}}{T_{b}}}+J_{NetRad})dA+\sum _{i}^{m}({{\dot {m}}_{i}}s_{i})-\sum _{o}^{n}({{\dot {m}}_{o}}s_{o})+{\dot {S}}_{gen}}$$ dónde${\displaystyle {S}_{gen}}$o Π denota la producción de entropía dentro del volumen de control, y,

$${\displaystyle {\frac {{dX}_{CV}}{dt}}=\int _{CVboundary}[{q_{cc}}(1-{\frac {T_{o}}{T_{b}}})+M_{NetRad}]dA-({{\dot {W}}_{CV}}-P_{o}({\frac {dV_{CV}}{dt}}))+\sum _{i}^{r}({{\dot {m}}_{i}}(h_{i}-{T_{o}}{s_{i}}))-{\dot {I}}_{CV}}$$

Esta ecuación de velocidad para la exergía dentro de un sistema abierto X ( Ξ o B ) tiene en cuenta las tasas de transferencia de exergía a través del límite del sistema por transferencia de calor ( q para conducción y convección, y M por flujos radiativos), por transferencia de trabajo mecánico o eléctrico ( W ) y por transferencia de masa ( m ), así como la destrucción de exergía ( I ) que ocurre dentro del sistema debido a irreversibilidades o procesos no ideales. Cabe señalar que la exergía química, la energía cinética y la energía potencial gravitatoria se han excluido por simplicidad.

La irradiancia o flujo de exergía M, y la radiancia de exergía N (donde M = πN para radiación isotrópica), dependen de la distribución espectral y direccional de la radiación (por ejemplo, véase la siguiente sección sobre 'Flujo de exergía de radiación con un espectro arbitrario'). La luz solar puede aproximarse burdamente como un cuerpo negro, o más precisamente, como radiación de cuerpo gris. Cabe señalar que, aunque un espectro de cuerpo gris se parece a un espectro de cuerpo negro, la entropía y la exergía son muy diferentes. Petela ^{[ 11 ]} determinó que la exergía de la radiación isotrópica de cuerpo negro venía dada por la expresión,

$${\displaystyle M_{BR}={\frac {cX}{4V}}=\sigma T^{4}(1-{\frac {4}{3}}x+{\frac {1}{3}}x^{4})}$$

donde la exergía dentro del sistema cerrado es X ( Ξ o B ), c ​​es la velocidad de la luz, V es el volumen ocupado por el sistema de radiación cerrado o vacío, T es la temperatura de emisión del material, To es la temperatura ambiental y x es la relación de temperatura adimensional To/T.

Sin embargo, durante décadas este resultado fue cuestionado en términos de su relevancia para la conversión de flujos de radiación, y en particular, la radiación solar. Por ejemplo, Bejan ^{[ 12 ]} afirmó que “la eficiencia de Petela no es más que una forma conveniente, aunque artificial, de adimensionalizar el trabajo calculado” y que la eficiencia de Petela “no es una ‘eficiencia de conversión’”. Sin embargo, se ha demostrado que el resultado de Petela representa la exergía de la radiación de cuerpo negro. ^{[ 1 ]} Esto se logró resolviendo una serie de problemas, incluyendo el de la irreversibilidad inherente, la definición del entorno en términos de radiación, el efecto de la emisión inherente del dispositivo de conversión y el efecto de la radiación de la fuente de concentración.

El flujo de exergía de la luz solar

Además de la generación directa de energía a partir de la luz solar, la radiación solar proporciona la mayor parte de la exergía necesaria para los procesos terrestres, incluidos aquellos que sustentan directamente los sistemas vivos y las fuentes de energía utilizadas para el transporte y la producción de electricidad (directa o indirectamente). Las principales excepciones son los procesos nucleares, como las centrales de fisión y la energía geotérmica (generada por la desintegración radiactiva natural), con una pequeña cantidad adicional proveniente de procesos químicos ( quimiosíntesis ), principalmente cerca de las chimeneas hidrotermales de las profundidades marinas.

La energía solar es, en su mayor parte, radiación térmica del Sol con una temperatura de emisión cercana a los 5762 Kelvin, pero también incluye pequeñas cantidades de radiación de mayor energía proveniente de la reacción de fusión o de temperaturas de emisión térmica más elevadas dentro del Sol. La mayor parte de la energía en la Tierra es de origen nuclear.

La figura siguiente muestra espectros típicos de radiación solar en condiciones de cielo despejado para AM0 (radiación solar extraterrestre), AM1 (radiación solar terrestre con ángulo cenital solar de 0 grados) y AM4 (radiación solar terrestre con ángulo cenital solar de 75,5 grados). El espectro solar a nivel del mar (espectro solar terrestre) depende de varios factores, como la posición del Sol en el cielo, la turbidez atmosférica, el nivel de contaminación atmosférica local y la cantidad y el tipo de nubosidad. Estos espectros corresponden a aire relativamente limpio (α = 1,3, β = 0,04), suponiendo una atmósfera estándar de EE. UU. con 20  mm de vapor de agua precipitable y 3,4  mm de ozono. La figura muestra la irradiancia de energía espectral (W/m²μm), que no proporciona información sobre la distribución direccional de la radiación solar. El contenido de exergía de la radiación solar, suponiendo que está subtendida por el ángulo sólido de la esfera del Sol (sin circunsolar), es del 93,1%, 92,3% y 90,8%, respectivamente, para los espectros AM0, AM1 y AM4. ^{[ 3 ]}

El contenido de exergía de la radiación solar terrestre ^{[ 3 ]} también se reduce debido al componente difuso causado por la compleja interacción de la radiación solar, originalmente en un haz de ángulo sólido muy pequeño, con la materia en la atmósfera terrestre. Las características y magnitud de la radiación solar terrestre difusa dependen de varios factores, como se mencionó, incluyendo la posición del Sol en el cielo, la turbidez atmosférica, el nivel de contaminación atmosférica local y la cantidad y tipo de cobertura nubosa. La radiación solar en condiciones de cielo despejado exhibe una intensidad máxima hacia el Sol (radiación circumsolar) pero también exhibe un aumento de intensidad hacia el horizonte (iluminación del horizonte). Por el contrario, para cielos nublados y opacos, la radiación solar puede ser completamente difusa con una intensidad máxima en la dirección del cenit y disminuyendo monótonamente hacia el horizonte. La magnitud del componente difuso generalmente varía con la frecuencia, siendo mayor en la región ultravioleta.

La dependencia del contenido de exergía de la distribución direccional se puede ilustrar considerando, por ejemplo, los espectros terrestres AM1 y AM4 representados en la figura, con los siguientes casos simplificados de distribución direccional:

• Para AM1: el 80% de la radiación solar está contenida en el ángulo sólido subtendido por el Sol, el 10% está contenida y es isotrópica en un ángulo sólido de 0,008 sr (este campo de visión incluye la radiación circumsolar), mientras que el 10% restante de la radiación solar es difusa e isotrópica en el ángulo sólido de 2π sr.

• Para AM4: el 65 % de la radiación solar está contenida en el ángulo sólido subtendido por el Sol, el 20 % de la radiación solar está contenida y es isotrópica en un ángulo sólido de 0,008 sr, mientras que el 15 % restante de la radiación solar es difusa e isotrópica en el ángulo sólido de 2π sr. Cabe destacar que cuando el Sol está bajo en el cielo, el componente difuso puede ser la parte dominante de la radiación solar incidente.

Para estos casos de distribución direccional, el contenido de exergía de la radiación solar terrestre para el espectro AM1 y AM4 ^{[ 3 ]} representado es de 80,8 % y 74,0 %, respectivamente. A partir de estos cálculos de muestra, es evidente que el contenido de exergía de la radiación solar terrestre depende fuertemente de la distribución direccional de la radiación. Este resultado es interesante porque cabría esperar que el rendimiento de un dispositivo de conversión dependiera de la tasa de fotones incidentes y su distribución espectral, pero no de la distribución direccional de los fotones incidentes. Sin embargo, para un flujo de fotones incidentes dado con una cierta distribución espectral, la entropía (nivel de desorden) es mayor cuanto más difusa sea la distribución direccional. Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía incidente de la radiación solar no puede destruirse y, en consecuencia, reduce el trabajo máximo que puede obtener un dispositivo de conversión.

De forma similar a la exergía termomecánica, la exergía química depende de la temperatura y la presión de un sistema, así como de su composición. La principal diferencia entre la evaluación de la exergía química y la termomecánica radica en que esta última no considera la diferencia en la composición química del sistema y del entorno. Si la temperatura, la presión o la composición de un sistema difieren del estado del entorno, entonces el sistema global tendrá exergía. ^{[ 14 ]}

La definición de exergía química se asemeja a la definición estándar de exergía termomecánica, pero con algunas diferencias. La exergía química se define como el trabajo máximo que se puede obtener cuando el sistema considerado reacciona con sustancias de referencia presentes en el entorno. ^{[ 15 ]} Definir el entorno de referencia de la exergía es una de las partes más vitales del análisis de la exergía química. En general, el entorno se define como la composición del aire a 25  °C y 1 atm de presión. Con estas propiedades, el aire consta de N ₂ =75,67%, O ₂ =20,35%, H ₂ O(g)=3,12%, CO ₂ =0,03% y otros gases=0,83%. ^{[ 14 ]} Estas fracciones molares serán útiles al aplicar la Ecuación 8 a continuación.

C _a H _b O _c es la sustancia que ingresa a un sistema del cual se desea encontrar el trabajo teórico máximo. Mediante las siguientes ecuaciones, se puede calcular la exergía química de la sustancia en un sistema dado. A continuación, la ecuación 9 utiliza la función de Gibbs del elemento o compuesto correspondiente para calcular la exergía química. La ecuación 10 es similar, pero utiliza la exergía química molar estándar, que los científicos han determinado en función de varios criterios, incluyendo la temperatura y presión ambiente en las que se analiza el sistema y la concentración de los componentes más comunes. ^{[ 16 ]} Estos valores se pueden encontrar en libros de termodinámica o en tablas en línea. ^{[ 17 ]}

La irreversibilidad representa la cantidad de exergía destruida en un sistema cerrado, o dicho de otro modo, el potencial de trabajo desperdiciado. Esto también se denomina energía disipada. Para sistemas altamente eficientes, el valor de I es bajo, y viceversa. La ecuación para calcular la irreversibilidad de un sistema cerrado, en relación con la exergía de dicho sistema, es la siguiente: ^{[ 19 ]}

dónde${\displaystyle S_{\text{gen}}}$, también denotada por Π , es la entropía generada por los procesos dentro del sistema. Si${\displaystyle I>0}$entonces existen irreversibilidades presentes en el sistema. Si${\displaystyle I=0}$Entonces no hay irreversibilidades presentes en el sistema. El valor de I , la irreversibilidad, no puede ser negativo, ya que esto implica destrucción de entropía, una violación directa de la segunda ley de la termodinámica.

El análisis de exergía también relaciona el trabajo real de un dispositivo productor de trabajo con el trabajo máximo que podría obtenerse en el proceso reversible o ideal:

Es decir, la irreversibilidad es la producción de trabajo máxima ideal menos la producción de trabajo real. En cambio, para un dispositivo que consume trabajo, como un refrigerador o una bomba de calor, la irreversibilidad es la entrada de trabajo real menos la entrada de trabajo mínima ideal.

El primer término de la parte derecha está relacionado con la diferencia de exergía en la entrada y la salida del sistema: ^{[ 19 ]}

donde B también se denota por Ξ o X.

Para un sistema aislado no hay interacciones de calor o trabajo ni transferencias de exergía entre el sistema y su entorno. Por lo tanto, la exergía de un sistema aislado solo puede disminuir en una magnitud igual a la irreversibilidad de ese sistema o proceso.

Uno de los objetivos de los métodos de energía y exergía en ingeniería es calcular la entrada y salida de energía en varios diseños posibles antes de su construcción. La entrada y salida de energía siempre se equilibrarán según la Primera Ley de la Termodinámica o el principio de conservación de la energía. La salida de exergía no será igual a la entrada de exergía en procesos reales, ya que una parte de la entrada de exergía siempre se destruye según la Segunda Ley de la Termodinámica . Una vez calculadas la entrada y la salida, el ingeniero suele buscar el proceso más eficiente. La eficiencia energética, o eficiencia según la primera ley, determina el proceso más eficiente en función del desperdicio mínimo de energía en relación con la entrada de energía. La eficiencia exergética, o eficiencia según la segunda ley, determina el proceso más eficiente en función del desperdicio y la destrucción mínimos de trabajo disponible a partir de una entrada de trabajo disponible, por unidad de la salida deseada.

La exergía se ha aplicado en diversas aplicaciones de diseño para optimizar sistemas o identificar componentes o subsistemas con mayor potencial de mejora. Por ejemplo, un análisis de exergía de los sistemas de control ambiental en la Estación Espacial Internacional reveló que el conjunto de generación de oxígeno era el subsistema que destruía la mayor cantidad de exergía. ^{[ 20 ]}

La exergía es particularmente útil para análisis de ingeniería amplios con muchos sistemas de naturaleza variada, ya que puede considerar sistemas mecánicos, eléctricos, nucleares, químicos o térmicos. Por esta razón, el análisis de exergía también se ha utilizado para optimizar el rendimiento de vehículos de cohete. ^{[ 21 ]} El análisis de exergía proporciona información adicional, en comparación con el análisis de energía por sí solo, porque incorpora la segunda ley y considera tanto el sistema como su relación con su entorno. Por ejemplo, el análisis de exergía se ha utilizado para comparar posibles sistemas de generación y almacenamiento de energía en la Luna, ya que se realiza en referencia a las condiciones ambientales operativas únicas de una aplicación específica, como en la superficie lunar. ^{[ 22 ]}

La aplicación de la exergía a las operaciones unitarias en las plantas químicas fue en parte responsable del enorme crecimiento de la industria química durante el siglo XX.

Como ejemplo sencillo de exergía, el aire en condiciones atmosféricas de temperatura, presión y composición contiene energía, pero no exergía, cuando se elige como estado de referencia termodinámico conocido como ambiente . Los procesos individuales en la Tierra, como la combustión en una central eléctrica, a menudo generan productos que se incorporan a la atmósfera, por lo que definir este estado de referencia para la exergía resulta útil, aunque la atmósfera en sí no esté en equilibrio y presente variaciones a corto y largo plazo.

Si se utilizan condiciones ambientales estándar para los cálculos durante el funcionamiento de una planta química cuando el clima real es muy frío o caluroso, ciertas partes de la planta podrían presentar una eficiencia exergética superior al 100 %. Sin tener en cuenta la variación de la temperatura atmosférica, estos cálculos pueden dar la impresión de que se trata de una máquina de movimiento perpetuo. Si bien el uso de condiciones reales proporciona valores reales, las condiciones ambientales estándar son útiles para los cálculos de diseño iniciales.

En las últimas décadas, la utilización de la exergía se ha extendido más allá de la física y la ingeniería a los campos de la ecología industrial , la economía ecológica , la ecología de sistemas y la energética . Definir dónde termina un campo y comienza el siguiente es una cuestión de semántica, pero las aplicaciones de la exergía pueden colocarse en categorías rígidas. Después del trabajo fundamental de Jan Szargut, quien enfatizó la relación entre exergía y disponibilidad, ^{[ 23 ]} es necesario recordar "Exergy Ecology and Democracy" ^{[ 24 ]} de Goran Wall , un breve ensayo que evidencia la estricta relación que vincula la disrupción de exergía con la disrupción ambiental y social. De esta actividad se ha derivado una actividad de investigación fundamental en economía ecológica y contabilidad ambiental para realizar análisis de costo-exergía con el fin de evaluar el impacto de la actividad humana en el medio ambiente natural actual y futuro . Al igual que con el aire ambiente, esto a menudo requiere la sustitución irreal de propiedades de un medio ambiente natural en lugar del estado de referencia del medio ambiente de Carnot. Por ejemplo, ecólogos y otros investigadores han desarrollado condiciones de referencia para el océano y la corteza terrestre . Los valores de exergía para la actividad humana, utilizando esta información, pueden ser útiles para comparar alternativas de políticas basadas en la eficiencia del uso de los recursos naturales para realizar el trabajo. Algunas preguntas típicas que se pueden responder son:

¿La producción humana de una unidad de un bien económico mediante el método A utiliza más exergía de un recurso que mediante el método B ?

¿La producción humana del bien económico A utiliza más exergía de un recurso que la producción del bien B ?

¿La producción humana del bien económico A utiliza la exergía de un recurso de manera más eficiente que la producción del bien B ?

Se han logrado algunos avances en la estandarización y aplicación de estos métodos.

La medición de la exergía requiere la evaluación del entorno del estado de referencia de un sistema. ^{[ 25 ]} Con respecto a las aplicaciones de la exergía en la utilización de recursos naturales, el proceso de cuantificación de un sistema requiere la asignación de valor (tanto utilizado como potencial) a recursos que no siempre se pueden desglosar fácilmente en términos típicos de costo-beneficio. Sin embargo, para aprovechar plenamente el potencial de un sistema para realizar trabajo, resulta cada vez más imperativo comprender el potencial exergético de los recursos naturales, ^{[ 26 ]} y cómo la intervención humana altera este potencial.

Referenciar las cualidades inherentes de un sistema en lugar de un entorno de estado de referencia ^{[ 25 ]} es la forma más directa en que los ecólogos determinan la exergía de un recurso natural. Específicamente, es más fácil examinar las propiedades termodinámicas de un sistema y las sustancias de referencia ^{[ 27 ]} que son aceptables dentro del entorno de referencia. ^{[ 27 ]} Esta determinación permite asumir cualidades en un estado natural: la desviación de estos niveles puede indicar un cambio en el entorno causado por fuentes externas. Hay tres tipos de sustancias de referencia que son aceptables, debido a su proliferación en el planeta: gases en la atmósfera , sólidos en la corteza terrestre y moléculas o iones en el agua de mar. ^{[ 25 ]} Al comprender estos modelos básicos, es posible determinar la exergía de múltiples sistemas terrestres que interactúan, como los efectos de la radiación solar en la vida vegetal. ^{[ 28 ]} Estas categorías básicas se utilizan como componentes principales de un entorno de referencia cuando se examina cómo se puede definir la exergía a través de los recursos naturales.

Otras cualidades dentro de un entorno de estado de referencia incluyen la temperatura, la presión y cualquier número de combinaciones de sustancias dentro de un área definida. ^{[ 25 ]} Nuevamente, la exergía de un sistema está determinada por el potencial de ese sistema para realizar trabajo, por lo que es necesario determinar las cualidades de referencia de un sistema antes de poder comprender su potencial. El valor termodinámico de un recurso se puede encontrar multiplicando la exergía del recurso por el costo de obtenerlo y procesarlo. ^{[ 25 ]}

Hoy en día, se está volviendo cada vez más popular analizar los impactos ambientales de la utilización de recursos naturales, especialmente para el uso de energía. ^{[ 29 ]} Para comprender las ramificaciones de estas prácticas, la exergía se utiliza como herramienta para determinar el potencial de impacto de las emisiones , los combustibles y otras fuentes de energía. ^{[ 29 ]} La combustión de combustibles fósiles, por ejemplo, se examina con respecto a la evaluación de los impactos ambientales de la quema de carbón , petróleo y gas natural . Los métodos actuales para analizar las emisiones de estos tres productos se pueden comparar con el proceso de determinación de la exergía de los sistemas afectados; específicamente, es útil examinarlos con respecto al estado de referencia del entorno de gases dentro de la atmósfera . ^{[ 26 ]} De esta manera, es más fácil determinar cómo la acción humana está afectando el medio ambiente natural.

En ecología de sistemas , los investigadores a veces consideran la exergía de la formación actual de recursos naturales a partir de un número reducido de entradas de exergía (generalmente radiación solar , fuerzas de marea y calor geotérmico ). Esta aplicación no solo requiere suposiciones sobre estados de referencia, sino también sobre los entornos reales del pasado que podrían haber sido similares a dichos estados. ¿Podemos determinar cuál es la "imposibilidad realista" más probable en un período de tiempo tan extenso cuando solo estamos especulando sobre la realidad?

Por ejemplo, comparar la exergía del petróleo con la del carbón utilizando un estado de referencia común requeriría datos de exergía geotérmica para describir la transición de materia biológica a combustibles fósiles durante millones de años en la corteza terrestre, y datos de exergía de radiación solar para describir la historia de la materia antes de ese período, cuando formaba parte de la biosfera. Esto tendría que realizarse matemáticamente hacia atrás en el tiempo, hasta una supuesta era en la que se podría suponer que el petróleo y el carbón recibían los mismos datos de exergía de estas fuentes. Especular sobre un entorno pasado es diferente de asignar un estado de referencia con respecto a entornos conocidos en la actualidad. Se pueden hacer conjeturas razonables sobre entornos antiguos reales, pero son conjeturas imposibles de comprobar, por lo que algunos consideran esta aplicación como pseudociencia o pseudoingeniería.

Este campo describe la exergía acumulada en un recurso natural a lo largo del tiempo como energía incorporada , cuyas unidades son el "julio incorporado" o "emjoule".

La aplicación importante de esta investigación es abordar los problemas de sostenibilidad de forma cuantitativa mediante una medición de la sostenibilidad :

¿La producción humana de un bien económico agota la exergía de los recursos naturales de la Tierra más rápidamente de lo que esos recursos son capaces de recibir exergía?

En ese caso, ¿cómo se compara esto con el agotamiento causado por producir el mismo bien (o uno diferente) utilizando un conjunto distinto de recursos naturales?

Hoy en día, las políticas ambientales no consideran la exergía como un instrumento para una política ambiental más equitativa y eficaz. Recientemente, el análisis de exergía permitió obtener una falla importante en los balances de emisiones de GEI gubernamentales actuales , que a menudo no consideran las emisiones relacionadas con el transporte internacional, por lo que no se tienen en cuenta los impactos de importación/exportación, ^{[ 30 ]}

Por lo tanto, algunos casos preliminares sobre los impactos del transporte de importación y exportación y de la tecnología han evidenciado la oportunidad de introducir una tributación eficaz basada en la exergía que puede reducir el impacto fiscal en los ciudadanos. Además, la exergía puede ser un instrumento valioso para una estimación eficaz del camino hacia los Objetivos de Desarrollo Sostenible ( ODS ) de la ONU. ^{[ 31 ]}

Una técnica propuesta por los ecólogos de sistemas consiste en consolidar las tres entradas de exergía descritas en la sección anterior en una única entrada de exergía de radiación solar, y expresar la entrada total de exergía en un bien económico como un julio solar incorporado o sej . ( Véase Emergia ). Las entradas de exergía provenientes de las fuerzas solares, mareales y geotérmicas, todas simultáneamente, tuvieron su origen al comienzo del sistema solar bajo condiciones que podrían elegirse como un estado de referencia inicial, y otros estados de referencia especulativos podrían, en teoría, remontarse a ese momento. Con esta herramienta podríamos responder a:

¿Qué fracción del agotamiento total de la exergía de la Tierra causado por la actividad humana se debe a la producción de un bien económico en particular?

¿Qué fracción del agotamiento total de la exergía de la Tierra, tanto por causas humanas como no humanas, es causada por la producción de un bien económico en particular?

Esta idea no requiere leyes termodinámicas adicionales, y los principios de la energética pueden resultar confusos para quienes no pertenecen al campo. La combinación de hipótesis imposibles de comprobar, jerga desconocida que contradice la terminología aceptada, la intensa defensa de sus partidarios y cierto grado de aislamiento de otras disciplinas han contribuido a que muchos consideren esta protociencia como una pseudociencia . Sin embargo, sus principios básicos no son más que una aplicación del concepto de exergía.

Una hipótesis común en la ecología de sistemas es que la observación del ingeniero de diseño de que se necesita una mayor inversión de capital para crear un proceso con mayor eficiencia exergética es, en realidad, el resultado económico de una ley fundamental de la naturaleza. Desde esta perspectiva, la exergía es el análogo de la moneda económica en el mundo natural. La analogía con la inversión de capital es la acumulación de exergía en un sistema durante largos períodos de tiempo, lo que resulta en energía incorporada . La analogía de la inversión de capital que resulta en una fábrica con alta eficiencia exergética es un aumento en las estructuras organizativas naturales con alta eficiencia exergética ( véase Potencia máxima ). Los investigadores en estos campos describen la evolución biológica en términos de aumentos en la complejidad de los organismos debido a la necesidad de una mayor eficiencia exergética por la competencia por fuentes limitadas de exergía.

Algunos biólogos comparten una hipótesis similar. Un sistema biológico (o una planta química) con varios compartimentos y reacciones intermedias es más eficiente porque el proceso se divide en muchos subpasos pequeños, lo que se acerca al ideal reversible de un número infinito de subpasos infinitesimales . Claro está, un número excesivamente grande de compartimentos intermedios conlleva un coste de capital que puede ser demasiado elevado.

En la práctica, resulta imposible poner a prueba esta idea en organismos vivos o ecosistemas debido a las grandes escalas de tiempo y las pequeñas cantidades de exergía necesarias para que se produzcan cambios. Sin embargo, si esta idea es correcta, no constituiría una nueva ley fundamental de la naturaleza. Simplemente se trataría de sistemas vivos y ecosistemas que maximizan su eficiencia exergética mediante la aplicación de las leyes de la termodinámica desarrolladas en el siglo XIX.

La máxima conversión posible de calor en trabajo, o contenido exergético del calor, depende de la temperatura a la que se dispone del calor y de la temperatura a la que se puede disipar el calor residual, es decir, la temperatura ambiente. El límite superior de conversión se conoce como eficiencia de Carnot y fue descubierto por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824. Véase también máquina térmica de Carnot .

La eficiencia de Carnot es

donde T _H es la temperatura más alta y T _C es la temperatura más baja, ambas como temperatura absoluta . De la ecuación 15 es claro que para maximizar la eficiencia se debe maximizar T _H y minimizar T _C.

La exergía intercambiada es entonces:

donde T _fuente es la temperatura de la fuente de calor y T _o es la temperatura del entorno.

La exergía, en cierto sentido, puede entenderse como una medida del valor de la energía. Dado que los portadores de energía de alta exergía pueden utilizarse para fines más versátiles, debido a su mayor capacidad para realizar trabajo, se puede postular que poseen un mayor valor económico. Esto se observa en los precios de los portadores de energía: aquellos de alta exergía, como la electricidad, tienden a ser más valiosos que los de baja exergía, como diversos combustibles o el calor. Esto ha llevado a la sustitución, cuando ha sido posible, de portadores de energía de alta exergía más valiosos por portadores de energía de baja exergía. Un ejemplo son los sistemas de calefacción, donde una mayor inversión en estos sistemas permite utilizar fuentes de energía de baja exergía. De esta manera, el contenido de alta exergía se está sustituyendo por inversiones de capital. ^{[ 32 ]}

La exergía de un sistema es el trabajo útil máximo posible durante un proceso que lleva al sistema al equilibrio con un depósito de calor. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Wall ^{[ 35 ]} establece claramente la relación entre el análisis de exergía y la contabilidad de recursos. ^{[ 36 ]} Esta intuición confirmada por Dewulf ^{[ 37 ]} Sciubba ^{[ 38 ]} conduce a la contabilidad exergoeconómica ^{[ 39 ]} y a métodos específicamente dedicados al ACV como el insumo de material exergético por unidad de servicio (EMIPS). ^{[ 40 ]} El concepto de insumo de material por unidad de servicio (MIPS) se cuantifica en términos de la segunda ley de la termodinámica, lo que permite el cálculo tanto del insumo de recursos como de la salida del servicio en términos de exergía. Este insumo de material exergético por unidad de servicio (EMIPS) se ha elaborado para la tecnología del transporte. El servicio no solo toma en cuenta la masa total a transportar y la distancia total, sino también la masa por transporte individual y el tiempo de entrega. La aplicabilidad de la metodología EMIPS se relaciona específicamente con el sistema de transporte y permite un acoplamiento efectivo con la evaluación del ciclo de vida . ^{[ 40 ]} El análisis de exergía según EMIPS permitió definir una estrategia precisa para reducir los impactos ambientales del transporte hacia un transporte más sostenible . ^{[ 41 ]} Dicha estrategia requiere la reducción del peso de los vehículos, estilos de conducción sostenibles, la reducción de la fricción de los neumáticos, el fomento de los vehículos eléctricos e híbridos, ^{[ 42 ]} la mejora del entorno para caminar y andar en bicicleta en las ciudades, y el fortalecimiento del papel del transporte público, especialmente el ferrocarril eléctrico . ^{[ 43 ]}

En 1824, Sadi Carnot estudió las mejoras desarrolladas para las máquinas de vapor por James Watt y otros. Carnot utilizó una perspectiva puramente teórica para estas máquinas y desarrolló nuevas ideas. Escribió:

A menudo se ha planteado la cuestión de si la fuerza motriz del calor es ilimitada, si las posibles mejoras en las máquinas de vapor tienen un límite asignable, un límite que la naturaleza de las cosas no permite superar por ningún medio... Para considerar de la manera más general el principio de la producción de movimiento por calor, debe considerarse independientemente de cualquier mecanismo o agente particular. Es necesario establecer principios aplicables no solo a las máquinas de vapor, sino a todas las máquinas térmicas imaginables... La producción de movimiento en las máquinas de vapor siempre va acompañada de una circunstancia en la que debemos centrar nuestra atención. Esta circunstancia es el restablecimiento del equilibrio... Imaginemos dos cuerpos A y B, mantenidos cada uno a una temperatura constante, siendo la de A superior a la de B. Estos dos cuerpos, a los que podemos suministrar o de los que podemos extraer calor sin que varíen sus temperaturas, funcionan como dos depósitos ilimitados...

A continuación, Carnot describió lo que hoy se conoce como la máquina de Carnot y demostró, mediante un experimento mental , que cualquier máquina térmica con un rendimiento superior a esta sería una máquina de movimiento perpetuo . Incluso en la década de 1820, existía una larga tradición científica que prohibía tales dispositivos. Según Carnot, «Tal creación es totalmente contraria a las ideas actualmente aceptadas, a las leyes de la mecánica y de la física rigurosa . Es inadmisible». ^[4]

Esta descripción de un límite superior para el trabajo que puede realizar una máquina fue la primera formulación moderna de la segunda ley de la termodinámica . Dado que no requiere matemáticas, a menudo sirve como punto de partida para una comprensión moderna tanto de la segunda ley como de la entropía . El enfoque de Carnot en las máquinas térmicas , el equilibrio y los depósitos de calor también constituye el mejor punto de partida para comprender el concepto estrechamente relacionado de exergía.

Carnot creía en la errónea teoría calórica del calor, popular en su época, pero su experimento mental describió, no obstante, un límite fundamental de la naturaleza. A medida que la teoría cinética sustituyó a la teoría calórica a principios y mediados del siglo XIX ( véase la cronología de la termodinámica ), varios científicos añadieron precisión matemática a la primera y la segunda ley de la termodinámica y desarrollaron el concepto de entropía . El enfoque de Carnot en los procesos a escala humana (por encima del límite termodinámico ) dio lugar a los conceptos más universalmente aplicables en física . La entropía y la segunda ley se aplican hoy en día en campos que van desde la mecánica cuántica hasta la cosmología física .

En la década de 1870, Josiah Willard Gibbs unificó gran parte de la termoquímica del siglo XIX en una teoría compacta. La teoría de Gibbs incorporó el nuevo concepto de potencial químico , que provoca cambios al alejarse del equilibrio químico , al trabajo previo iniciado por Carnot al describir el equilibrio térmico y mecánico y sus potenciales de cambio. La teoría unificadora de Gibbs dio como resultado las funciones de estado del potencial termodinámico, que describen las diferencias con respecto al equilibrio termodinámico .

En 1873, Gibbs desarrolló la fórmula matemática de la "energía disponible del cuerpo y del medio" hasta su forma actual. ^[3] (Véanse las ecuaciones anteriores ). La física que describe la exergía ha cambiado poco desde entonces.

En la década de 1880, el científico alemán Hermann von Helmholtz derivó la ecuación para el trabajo máximo que se puede obtener reversiblemente de un sistema cerrado. ^{[ 44 ]}

En 1956, el erudito yugoslavo Zoran Rant propuso el concepto de exergía, ampliando el trabajo de Gibbs y Helmholtz. Desde entonces, el continuo desarrollo del análisis de exergía ha dado lugar a numerosas aplicaciones en termodinámica, y la exergía se ha aceptado como el máximo trabajo útil teórico que se puede obtener de un sistema con respecto a su entorno. ^{[ 44 ]}