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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 lo que indica que las diversas formas de la energía tienen calidades diferentes. Así, si asociamos un índice de calidad igual a la unidad a las energías mecánica y eléctrica ya que es posible transformarlas íntegramente entre sí mediante procesos reversibles, la energía interna y el calor tendrán un índice de calidad diferente pues no existe equivalencia termodinámica entre estas formas de energía y las anteriores.

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. Para definir esta propiedad debe considerarse la profunda relación que existe entre el ambiente físico (atmósfera, litosfera, hidrosfera) y los procesos energéticos que se desarrollan en las instalaciones industriales. Todos los procesos industriales tienen como entorno el ambiente físico y por tanto están condicionados por éste. Para juzgar su relación mutua conviene separar el ambiente físico en dos partes bien diferenciadas. La primera está formada por los Recursos Naturales (combustibles, metales, yacimientos geotérmicos, etc.) que son sustancias que se encuentran en desequilibrio termodinámico con la segunda, constituida por el resto del ambiente físico, a la que daremos el nombre de Ambiente de Referencia (AR).

Mientras los recursos naturales son escasos y por tanto valiosos, el ambiente de referencia puede considerarse como una fuente (y sumidero) inagotable y gratuita de energía, trabajo y materia. El AR puede realizar (recibir) una cantidad ilimitada de trabajo mediante una expansión (compresión) de su volumen contra la presión atmosférica. Su energía aumentará o disminuirá por medio de intercambios de calor. Finalmente, pueden tomarse en las cantidades que se deseen todas las especies químicas presentes en el AR, y verter al mismo estas u otras cualesquiera.

Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Este agua puede emplearse para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que todo 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.

Por lo tanto aprovechando la situación de desequilibrio de los recursos naturales con el AR es como accionamos los procesos industriales. A partir del Segundo Principio, y teniendo en cuenta las observaciones anteriores, podemos afirmar que la máxima utilidad termodinámica de los recursos naturales se consigue al exhaustarlos reversiblemente hasta alcanzar un estado de equilibrio con el AR. Cuando esto sucede ya no es posible realizar procesos adicionales por esta razón denominamos dicho estado como estado muerto. 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. La exergía de los sistemas y de los flujos de materia y energía ha sido definida por distintos autores como la propiedad que cuantifica dicha utilidad en términos de trabajo técnico, y como veremos más adelante es la propiedad a través de la cual debe juzgarse la equivalencia termodinámica de los sistemas y de los flujos de materia y energía.

El trabajo técnico realizado a expensas de los recursos naturales puede utilizarse para transformar las sustancias presentes en el AR, que se encuentran por definición en su estado muerto (exergía nula), produciendo otras en desequilibrio con el AR, merced al cual tendrán una utilidad termodinámica positiva.

Veamos una definición de Exergía: La exergía se define como la propiedad de un sistema que cuantifica el máximo trabajo que puede obtenerse cuando interactuando únicamente con el ambiente, pasa de su estado termodinámico inicial al estado muerto. La condición de trabajo máximo implica que le proceso realizado para llevar al sistema hasta su estado muerto sea reversible, y por tanto una definición alternativa de la exergía de los sistemas es la siguiente: La exergía de un sistema es el mínimo trabajo técnico necesario para constituirlo a partir del ambiente de referencia.

Como podemos apreciar el valor de la exergía de un sistema depende de cómo esté configurado el ambiente de referencia. Tanto el estado del sistema como su estado de equilibrio con el AR (estado muerto) deben satisfacer la condición de equilibrio termodinámico para que la exergía sea función de estado. Si además el AR se define de tal forma que se mantenga constantemente en equilibrio interno la exergía de todos los sistemas cerrados será positiva.

Así que, después de lo comentado con anterioridad se denomina “exergía” como la cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil, entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente.

Alberto Moreno Jiménez