ETER2_U1_A3_SEMB - Sergio Marquez Barrios

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Termodinámica 2 
ER-ETER2-1901-B1-001 
 
Javier Hernández Pérez 
 
Unidad 1 
Exergia 
 
Actividad 3 
Entrenamiento exergético 
 
SERGIO ADRIÁN MÁRQUEZ BARRIOS 
ES172011571 
Febrero, 2019 
 
 
 
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Retoma lo realizado en la Actividad 1. Balances de energía. 
 
Realiza cada uno de los pasos para realizar el balance termodinámico de un 
volumen de control hasta obtener el balance de Exergia, de un proceso de la 
industria que elegiste en la Actividad 1. Balances de energía. 
 
 
Arquitectura del sistema de supresión de fuego. 
 
1.- Válvula de diluvio 
2.- Control de agua (activación 
manual) 
3.- Válvula igualadora de 
presión 
4.- Indicador de presión 
5.- Toma de presión 
6.- Válvula de control de aire 
(purga) 
7.- Control de presión de aire 
8.- Alarma audible 
9.- PLC 
10.- aspersor 
11.- detector de humo 
12.- Interruptor indicador de 
presión 
13.- unión de brida entre el 
sistema de agua y sistema de 
diluvio 
14.- Tanque contenedor 
15.- Sistema de diluvio (agua o agente limpio) 
16.- Interruptor confirmación de sistema activado. 
 
El sistema de supresión de fuego funciona de la siguiente manera, cuando el sistema 
de encuentra en condiciones normales sin presencia de fuego, este se encuentra en 
modo espera, es decir, al pendiente de cualquier suceso para su activación. El 
sistema puede activarse de manera manual o automático. 
señal al PLC que a su vez activara una alarma audible indicando que el sistema se 
activara, al mismo tiempo, se acciona la calcula de diluvio la cual abrirá y rociara el 
Fig. 1.- Sistema de diluvio (supresión de fuego). 
 
 
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contenido del tanque presurizado con agua o agente limpio a través de los 
aspersores, atendiendo así la contingencia. 
Consulta el siguiente documento: 
http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Modulos/Modulo4.pdf 
 
Elabora una síntesis del documento anterior. 
 
Exergia 
 
El uso óptimo de los recursos energéticos, es de vital importancia, y más si son 
recursos no renovables. 
 
De acuerdo a la primera ley de la termodinámica “la energía no se crea ni se 
destruye, solo se transforma”, por consecuencia, los recursos utilizados para crear 
energía generan también un producto. Por lo que es importante analizar el mejor 
rendimiento y la manera de producirlo con la menor perdida posible, es decir, evaluar 
el desempeño técnico para mejorar el trabajo útil máximo que se pueda obtener. 
 
Las diferentes formas de energía requieren un análisis sobre qué tan optimo es la 
conversión de energía y que sean mejor empleadas de acuerdo a los recursos, y 
sobre todo minimicen el impacto al medio ambiente. 
 
En síntesis, la Exergia es la cantidad máxima de energía que puede transformarse 
en trabajo útil, entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente, 
en otras palabras, es la medida de disponibilidad de la energía la cual es la parte del 
sistema que se puede aprovechar para realizar un trabajo mecánico, eléctrico o de 
algún otro tipo. 
 
La Exergia se consume cuando las variables de estado se igualan a su entorno, con 
esto se alcanza el equilibrio térmico y alcanzando su equilibrio mecánico ya no se 
puede generar energía adicional, es decir, es sistema ha alcanzado el estado muerto. 
 
Considerando el segundo principio de la termodinámica, el cual indica las 
limitaciones en cuarto a la cantidad de trabajo que el sistema puede realizar. 
Un ejemplo puede ser el agua situada en una columna, a cierta altura, esta puede 
emplearse de manera controlada para generar electricidad a través de algún sistema 
mecánico acoplado a un generador eléctrico, las cuales al moverse generarían 
energía eléctrica, pero una vez que el agua ha sido desplazada ya no se puede 
 
 
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aprovechar, ese sería el límite de energía disponible, cuando el desnivel desaparece, 
ya no se puede generar más energía. 
Primera y segunda ley combinada. 
Para iniciar el estudio termodinámico, es necesario establecer los límites del sistema, 
esto de acuerdo a los diagramas de energía del volumen de control, los cuales 
representan los flujos de las variables que entran y salen del sistema como lo es la 
masa (dmentra y dmsale), tiempo (dt), temperatura (T) y trabajo (dwu). 
 
 
 
 
 
 
Donde: �ℎ���� + ��� = �ℎ���� + �� (balance de energía) 
Si se aplica el principio de balance de la primera ley considerando a la entalpia de 
los flujos (he y hs) quedaría: ������ + ∑
���
��
�
��� + ��� = ������ (balance en 
entropía). 
Despejando Q, igualando ecuaciones y despejando el trabajo útil quedaría: 
�� = �(ℎ�����)��� �(ℎ�����)��� + � 1
��
��
�
���
 ��� ���� 
Si las condiciones de Temperatura y presión son iguales T= T0 y P = P0, definido 
como el ambiente estable de referencia (AER). Se obtiene la ecuación de balance 
de exergía: �� = ������ − ������ + ��� − �� (Balance de Exergia). 
En esta ecuación, el trabajo útil máximo se realiza cuando el proceso es reversible 
Sg = 0, por lo tanto, en un proceso real o irreversible, se pierde la capacidad de hacer 
el trabajo. 
Según el teorema de Gouy-Stodola donde Wl = T0 Sg. El trabajo real es igual al 
trabajo reversible menos el trabajo perdido. Wu = Wr – Wl 
Entrada “e” 
dme 
Volumen de control Salida “s” 
dms 
Trabajo dWu 
DQ0 DQ1 DQ2 
T0 T1 T2 
Fig. 2.- Volumen de control. 
 
 
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Con estas ecuaciones esta definido los procesos, donde se evalúa la operación del 
sistema considerando las irreversibilidades internas de operación y las externas. 
La finalidad del análisis exergético es evaluar como se produce el trabajo y el que se 
pierde en cada proceso con el fin de ir corrigiendo los procesos que se presentan 
para que sean más eficientes. 
Energía y Exergía 
La Exergia es una medida de la cantidad de trabajo útil de un proceso, no se puede 
realizar más trabajo útil cuando el sistema está en equilibrio con sus alrededores. La 
Exergia da cuenta del incremento en la entropía y de la irreversibilidad asociada de 
un proceso. 
La energía se puede transformar, pero no destruir, la exergía se destruye con 
el incremento en la entropía. Cuando un sistema y sus alrededores están en 
equilibrio, la cantidad de exergía es cero. 
La energía que se le agrega a un proceso se balanceará con su salida, de 
conformidad con la primera ley de la termodinámica (principio de conservación de 
energía, la energía no puede ser destruida). Sin embargo, la salida de Exergia no se 
balanceará con la entrada, puesto que parte de la exergía disponible se destruye de 
conformidad con la segunda ley de la termodinámica. El diseño de eficiencia acorde 
con la primera ley es el diseño que usa la entrada disponible de energía tan 
eficientemente como sea posible, mientras que la eficiencia conforme a la segunda 
ley apunta a escoger el proceso que desperdicia (destruye) lo menos posible del 
trabajo disponible. Usualmente una planta con una alta exergía es más costosa que 
una planta de baja exergía, por lo que usualmente se aplica también una 
optimización económico - exergética. 
Los tipos de energía se dividen en dos grupos, la clasificación de formas de energía 
es un problema físico en base a la entropía, que es utilizada para una medida de las 
transformaciones de energía. 
En el grupo uno las formas de energía se pueden transformar en otras sin ningún 
límite (las entropías son iguales a cero “energía ordenada”), la entrada o salida de 
calor a un cuerpo no cambia este tipo de energía. Esta se puede presentar como 
energía potencial y energía cinética no aleatoria. 
En el grupo dos son las que no se pueden transformar completamente (no tiene 
entropía cero “energía desordenada”). Esta permite trasformaciones donde haya 
incremento de entropía o no haya cambio (reversibilidad). Por ello, todas las formas 
 
 
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de energía se pueden convertira otra teniendo entropía cero. En decir, los procesos 
deben ser reversibles, ña eficacia dela conservación depende de las propiedades 
termodinámicas del sistema y del ambiente, se considera aplicar el segundo principio 
de la termodinámica para el análisis, el cual genera cambios entrópicos en los 
sistemas que intervienen. 
Las energías ordenadas poseen habilidad limitada para transformarse, con ello se 
puede decir que son de mejor calidad. 
Energia (W) Exergia (E) 
Depende de los parámetros de flujo de 
energía o materia solamente, y no 
depende de los parámetros del 
ambiente. 
Depende de tantos parámetros del flujo 
de energía y de materia como de los 
parámetros del ambiente 
Tiene magnitudes diferentes a cero (es 
igual a mc2 en concordancia con la 
ecuación e Einstein) 
Puede ser igual a cero (en el estado 
muerto por equilibrio del ambiente) 
Obedece a la ley de la conservación de 
la energía en todos los procesos y no 
puede ser destruida. 
Obedece a la ley de la conservación de 
energía solamente en procesos 
reversibles; en los procesos 
irreversibles es parcial o completamente 
destruida 
La habilidad para convertirse en 
diferentes formas está limitada por la 
segunda ley de la termodinámica para 
rodos los procesos incluidos los 
reversibles, 
La habilidad para transformarse entre 
otras formas no está limitada para 
procesos reversibles debido a la 
segunda les de la termodinámica. 
 
En los procesos reales la variable T no se puede incrementar de manera infinita, ya 
que su valor depende de as condiciones de los materiales y T0 depende de las 
condiciones ambientales. 
Es importante que al momento de calcular la exergía de se debe especificar los 
límites en los que trabaja dicho sistema, la capacidad de un medio energético para 
realizar el trabajo expresa su potencial para transformarse en otros tipos de energía, 
por lo que la exergía puede aplicarse al estudio de procesos tecnológicos. 
No existe una ley de conservación para la exergía, cualquier trabajo irreversible 
causa perdida de la exergía, lo que significa na reducción del potencial de los efectos 
de la energía. 
Tabla 1.- Energía/exergía 
 
 
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La exergía B de una sustancia se puede dividir en 4 componentes: 
- Bk exergía cinética 
- Bp exergía potencial 
- Bf exergía física 
- B0 exergía química 
 
 
 
 
 
 
La Bf (exergía física) y la B0 (exergía Química) se denomina Bt (exergía térmica) 
B = Bp + Bk + Bf + B0 = Bp + Bk + Bt 
Ambiente y estado muerto. 
Se le denomina estado muerto cuando dos sistemas en condiciones termodinámicas 
diferentes entran en contacto y de manera espontánea a través de la transferencia 
de masa y energía hacia un estado de equilibrio intermedio (mínima exergía y 
máxima entropía), es decir, cuando mayor sean las diferencias entre sus magnitudes 
termodinámicas más trabajo se puede obtener de la interacción entre el sistema y el 
entorno. 
La energía utilizable al igual que la exergía está asociada al desequilibrio entre el 
sistema y su entorno y depende de las variables de dos sistemas como mínimo. 
Dicho de otra manera, se podría decir que uno de los sistemas se considera el 
universo y otro nuestro dispositivo. El estado muerto seria el universo, el sistema nos 
puede proporcionar trabajo, como máximo, la diferencia de energía entre el estado 
del universo y su estado inicial. Este trabajo es la exergía del sistema, como el 
universo es muy grande respecto al sistema se considera lo siguiente, el estrado 
muerto no varía al momento de ceder energía al sistema, y como se toma el medio 
ambiente que rodea al sistema. El estado muerto marca el estado del que nos es 
imposible extraer trabajo de un sistema y depende del medioambiente. 
B 
Exergía 
Potencial Cinética 
Exergía Térmica 
Exergía Exergía 
Física Química 
Bp Bk Bt 
 Bf B0 
Exergía 
 
 
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El ambiente puede actuar sobre el sistema transfiriendo calor (T0), intercambio de 
trabajo por expansión o compresión (cuando cambia en ∆� cuasi-estáticamente, el 
sistema realiza un trabajo Po sobre el ambiente) e intercambio de materia (Sustancias 
de trabajo potencial químico en equilibrio estable). 
Exergía de un flujo de materia 
Se considera en un estado definido por la energía interna, el volumen especifico, la 
entropía, temperatura y presión. Para determinar la exergía de flujo de materia es 
necesario calcular el trabajo que puede ser obtenido en el proceso de transición de 
un estrado de equilibrio con el ambiente. 
� = �� +
1
2
(��
� − ��) + �(�� − �) �����í� �������� ��� ������ �� ���� 
�� Representa el trabajo útil, c Velocidad del fluido y z la altura o cota. Aplicando el 
primer (� = ℎ� − ℎ + �) y segundo principio (���� = �� (�� − �)), al igualarse ambas 
ecuaciones queda ���� = (ℎ. −���) − (ℎ� − ����) = � donde b representa la exergía 
especifica. 
Aplicando a la función de Darrieus � ≡ ℎ − ���, la función de exergía seria � = � −
��, este resultado indica la energía mecánica máxima que puede obtenerse al llevar 
la corriente de fluido desde un estado activo a uno muerto. 
Exergía de un flujo de calor 
Si la transferencia de calor se realiza de forma isobárica, el flujo de calor es igual a 
la variación de energía, en los procesos de frio en donde T es menor que �� la 
ecuación tiende a cambiar de signo a q. A medida que baja T, el valor cualitativo de 
frio es mayor, lo cual permite poder comparar flujos de frio y calor. �� = � �1 − 
��
�
� 
Cuando T< ��, el flujo exergético tiene sentido opuesto al calorífico. Toda entrada de 
calos a una temperatura inferior a la del ambiente equivale a una salida de exergía, 
tanto mayor cuanto menor sea la temperatura a que se produce la transmisión de 
calor. Esto se realiza en instalaciones criogenitas a muy bajas temperaturas, ya que 
una fuga calorífica que se producirá del ambiente al sistema puede provocar pérdidas 
de exergía considerable. 
Exergía quimica 
Tamien conocida como potenciales químicos, los cuales de pueden identificar como 
energia libre, la exergia quimica se puede definir como la cantidad maxina de trabajo 
que se puede obtener cuando una sustancia es llevada de un estadio inicial a un 
 
 
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estado muerto a través de un proceso quimico y físico reversibles (transferencia de 
calor y materia hacia el ambiente), es habitual caluclar la exergía química 
considerando el estado inicial de la substancia, como el estado de equilibrio fisico el 
ambiente, definimos por esto a su temperatura To su presión Po. Así, las condiciones 
de la exergía química son dadas por una parte de la exergía substancial. 
Al separar en dos parte la exergía química nos enfocarnos 
exclusivamente a la parte exergetica debida a las contribuciones de reacciones y 
concentraciones y considerarla parte física como son la exergía térmica, mecánica, 
potencial y cinética con valor cero para un posterior estudio. 
 
Reactivos To Po To Po Productos 
 
De acuerdo a la primera ley, wu = q + hr - hp, como el proceso es reversible y de 
acuerdo a la segunda ley q= T0(sP – sR) donde los subíndices R y P se refieren a las 
propiedades de los reactivos. Combinando las ecuaciones wu = (hR-T0 sR)–(hp - T0 sP), 
si se agrega la entalpia de gibss (g= h – Ts ) se convierte en wu = gR-qp =−∆g = b0 
A continuación, se puede ejemplificar mediante la siguiente tabla la perdida de 
exergía en una planta generadora de potencia y en la misma referencia 
TIPO DE 
PROCESO 
POTENCIAL 
QUE SE 
MANEJA 
TIPO DE 
FLUIDO 
CAMBIO DE 
ENTROPIA 
ECUACION 
EXERGETICA 
Flujo de calor 
Diferencial de 
temperatura 
Calor dQ/dT T0dQ/T 
Eléctrico 
Diferencia de 
voltaje 
Corriente I I2 R/T T0 I2 R/T 
Flujo de 
momentum 
velocidad 
Flujomásico 
g. 
(c1+c2+c..)
��
����
�
����
 T0+�ci)
��
����
�
����
 
gravitacional 
Diferencia de 
altitud 
Masa M. m(Z1-Z2)(g/gc)J 
T0m(Z1-
Z2)(g/gc)J 
Termoeléctrico 
Fuerza 
electromotriz 
Calor y 
corriente 
��
�
+ (��
�
�
) ��
��
�
+ (��
�
�
) 
fricción Presión puntal Masa M (�� − ��)/� ��(�� − ��)/� 
Reacción 
Química 
Potencial 
Químico 
Calor Q ��(�� − ��) ����(�� − ��) 
 
REACTOR 
Q 
Q 
 
 
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Cambios de exergía térmica entre 2 estados 
 
Cuando en un sistema la entrada de la fuente de energía pasa por la máquina, las 
cuales se involucran en cambios físicos o químicos, la salida tiene una entalpia y 
entropía diferente a la que se inició, es decir, los cambios de energía cinética y 
potencial se pueden depreciar si las velocidades de los dos son similares. Aplicando 
la ecuación ∆�� = ��� − ��� = −(�� − �� + �� ), se puede calcular el trabajo 
máximo que la maquina puede realizar por la diferencia de Exergia de entrada y a 
corriente de salida. Si se considera que no hay variación de masa y si el volumen del 
flujo es igual tanto a la entrada como a la salida quedaría ��� − ��� = ℎ� − ℎ� −
 ��(�� − ��). 
En el caso de los gases ideales y si el calor especifico es constante, utilizando las 
relaciones termodinámicas para el cambio de entalpia y entropía la ecuación 
quedaría: �� = �� �(� − ��) − �� ln
�
��
� + ��� ln
�
��
. 
Irreversibilidades 
De acuerdo al segundo principio de Termodinámica el cual consiste en establecer la 
relación entre las dos formas de transmitir energía (calor y trabajo), y de transformar 
calor en trabajo, pero el inverso no. Esto es el concepto de compensación el cual se 
divide en la totalidad de los procesos en Procesos irreversibles y Procesos 
reversibles. Los procesos reversibles, son aquellos que regresan cada paso del 
mismo llegando a su estado inicial del sistema. 
Los procesos irreversibles son aquellos que no existen medios por los cuales el 
sistema pudiera restaurarlos a sus estados iniciales. Algunas irreversibilidades 
comunes son la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura 
finita; expansión incontrolada de un gas; una reacción química espontanea, mezcla 
 
 
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de materiales con diferentes composiciones o diferentes estados, fricción, flujo de 
corriente a través de una resistencia, magnetización y polarización, deformación 
inelástica, como ejemplo. 
 
 
Cuando las irreversibilidades ocurren dentro del sistema se dice que son 
irreversibilidades internas; cuando ocurren en los alrededores se dice que son 
externas. Todas las irreversibilidades pueden considerarse internas definiéndose la 
frontera de tal de tal modo que incluya la parte de los alrededores donde ocurren. Si 
 
 
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no ocurren irreversibilidades dentro del sistema se dice que éste es internamente 
reversible. Un proceso internamente reversible es un proceso cuasiestático durante 
el cual el sistema atraviesa una serie de estados de equilibrio. 
Las irreversibilidades se pueden dividir en internas y externas 
- Irreversibilidad interna: es la que se produce dentro del sistema, debido a que 
este no se encuentra en equilibrio. Por ejemplo, al comprimir un gas 
bruscamente, el has próximo al pistón posee una presión mayor que los puntos 
alejados (produciéndose una onda de sonido). En este momento el gas no se 
encuentra en equilibrio (no existe la “presión del sistema”) y evoluciona de forma 
irreversible. Otro ejemplo sería la inmersión de un trozo de hielo en agua caliente, 
la diferencia finita de temperaturas entre partes de un sistema provoca 
irreversibilidad 
 
- Irreversibilidad externa: es aquella en la que quizás el sistema evoluciona 
reversiblemente, por ejemplo, porque su temperatura varía lentamente (como le 
ocurre a una taza de café caliente puesta en contacto con el exterior), pero aun 
así el proceso es irreversible porque la interacción con el entorno es irreversible 
(en el caso de la taza de café, porque existe una diferencia finita de temperaturas 
entre la café y el ambiente). 
 
Por ejemplo, para la irreversibilidad mecánica externa, se puede decir que es la 
transformación del trabajo en calor por la interacción del sistema por el entorno, y la 
irreversibilidad mecánica interna es la conversión de trabajo en calor en el interior 
del sistema, puede ser por fricción. 
Otro ejemplo seria la irreversibilidad térmica externa es el intercambio de calor con 
el exterior de manera irreversible debido a una diferencia finita de temperatura con 
el entorno, y una irreversibilidad térmica interna es debido a las transferencias de 
calor entre distintas partes de un mismo sistema. 
Los procesos s reversibles son idealizados como útiles a diferencia de los 
irreversibles, ya que las caudas de irreversibilidad con varias, debe ser cuasiestático 
para que el sistema siempre este en equilibrio sin fracción y manteniendo en todo 
momento la misma temperatura que el exterior. 
 
 
 
 
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Conclusión 
El análisis de exergía es relacionado a analizar la primera y segunda ley de la 
termodinámica de manera conjunta en los procesos termodinámicos. La cual nos 
indica cuanta energía realmente es útil, viéndolo de otro modo, cual es la calidad de 
la energía. Nos indica cual energía puede transformarse en trabajo útil, además la 
Exergia consume las variables cuando alcanzan el valor de las variables del 
ambiente. 
 
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