Disponibilidad de energía

Disponibilidad de energía

Definición

Disponibilidad es una propiedad termodinámica que expresa la cantidad máxima de trabajo útil que puede entregar un sistema cuando sigue un proceso totalmente reversible desde un estado inicial hasta el estado muerto (Cuando el sistema está en equilibrio termodinámico con los alrededores). También es conocida como exergía y suele decirse que la disponibilidad o exergía representa el límite superior en que puede ocurrir un proceso sin violar las leyes de la termodinámica.

Los conceptos de disponibilidad nos permiten clasificar la energía en energía que puede ser convertida completamente en trabajo (por ejemplo la que se mide con la función de disponibilidad) y energía no disponible para realizar trabajo. La atmósfera es un ejemplo típico de una fuente inmensa de energía no disponible. Otro ejemplo son los mares. En ciertas latitudes en las cuales existe una diferencia de temperatura sustancial entre el mar y la atmósfera, esta diferencia se utiliza como fuente de energía.

La exergía es una medida de la disponibilidad de la energía. La idea es que parte de la energía de un sistema se puede aprovechar para realizar trabajo mecánico, eléctrico o de otro tipo. El segundo principio de la termodinámica nos establece limitaciones en cuanto a la cantidad de trabajo que podemos realizar. Pero existe además una limitación práctica en cuanto a que sólo se puede realizar trabajo si el sistema almacena una energía respecto al ambiente que le rodea.

Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Esta agua puede emplearse para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que toda el agua ha bajado al nivel del mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un límite en la energía disponible asociado a la diferencia de altura entre el agua del embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más energía disponible.

Supongamos un recipiente que contiene un gas a alta presión y alta temperatura. Si hacemos un orificio en el recipiente y dejamos que salga el aire a la atmósfera, perdemos toda la energía disponible, ya que rápidamente su presión se iguala a la atmosférica y en poco tiempo su temperatura se iguala la del aire que lo rodea. Hemos desperdiciado toda la energía disponible o exergía.

En cambio, podíamos haber usado el que la presión era superior a la atmosférica para producir un trabajo mecánico, moviendo un pistón, y podíamos haber usado el que su temperatura era superior a la atmosférica para alimentar una máquina térmica, es decir, que tanto la diferencia de presiones como la diferencia de temperaturas eran aprovechables para realizar trabajo útil.

Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil, entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente.

La exergía se consume por completo cuando la presión y la temperatura (y el resto de variables de estado como la altura sobre el nivel del mar, el voltaje, etc. que lo diferencian de lo que le rodea) se igualan a la del entorno. Una vez que se iguala la temperatura del sistema con la del ambiente (alcanzándose el equilibrio térmico) y se iguala su presión con la exterior (llegándose al equilibrio mecánico), ya no se puede extraer energía adicional. Se dice que en ese caso el sistema ha alcanzado el “estado muerto”.

El cálculo de la exergía es muy general y puede aplicarse a todo tipo de sistemas físicos, nos limitaremos a considerar el caso sencillo de un sistema fluido (un gas) que se encuentra a una cierta presión P y temperatura T diferentes de la presión P0 y temperatura T0 del aire que lo rodea.

Calcularemos por separado la cantidad máxima de trabajo que podemos obtener por la diferencia de presiones y por la diferencia de temperaturas. La suma de las dos cantidades nos permitirá hallar la exergía del sistema.

Energía cinética y potencial

Si tenemos un fluido en movimiento respecto al entorno (por ejemplo un río), su energía cinética puede convertirse en trabajo (según el teorema de las fuerzas vivas). Así, un río puede mover una noria o un molino.

Lo mismo ocurre con la energía potencial. Teóricamente puede convertirse íntegramente en trabajo. Un salto de agua puede mover una turbina de una central hidroeléctrica.

Por tanto, la cantidad máxima de trabajo extraíble debe incluir tanto la energía cinética como la potencial, ya que ambas se pueden transformar en trabajo sin pérdida alguna (teóricamente).

Aprovechamiento del trabajo

Puesto que estamos interesados en el máximo aprovechamiento de la energía, debemos considerar procesos en los que no se produzca entropía en el universo, es decir, deben ser cuasiestáticos y reversibles. En este caso, el trabajo realizado por el sistema vale

Estamos interesados en los procesos en el que este trabajo resulta positivo, ya que en ese caso es el gas el que realiza trabajo sobre el entorno.

Ahora bien, este trabajo no es todo trabajo útil. Una parte de él se emplea en desplazar el aire exterior, que está a presión P0. Este desplazamiento del ambiente se diluye en la masa y no es aprovechable. Por ello, hacemos la descomposición siguiente

De estos dos términos, sólo el primero es trabajo útil. El segundo representa el trabajo para desplazar el aire de alrededor. Por ejemplo, en un sistema de un gas con un muelle el primer término sería el trabajo para comprimir el muelle

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