| Termodinámica |
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El clásico motor de calor Carnot.
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La termodinámica endoreversible es un subconjunto de la termodinámica irreversible destinada a hacer suposiciones más realistas sobre la transferencia de calor de lo que normalmente se hace en la termodinámica reversible . Proporciona un límite superior a la energía que se puede derivar de un proceso real que es inferioral previsto por Carnot para un ciclo de Carnot , y se adapta a la destrucción de exergía que se produce cuando el calor se transfiere de forma irreversible.
La termodinámica endorreversible fue descubierta en un trabajo simultáneo de Novikov [1] y Chambadal, [2] aunque a veces se atribuye erróneamente a Curzon & Ahlborn. [3]
Motor novikov [ editar ]
Una ecuación de la eficiencia de un motor térmico semi-ideal quefunciona con una potencia de salida máxima en la que la transferencia de calor es irreversible pero otros componentes ideales puede mostrar la siguiente forma, [5] que es la eficiencia de Chambadal-Novikov :
En el límite de potencia de salida infinitamente pequeña, se recupera el resultado estándar de Carnot para la eficiencia. [4] Para algunos ciclos típicos, la ecuación anterior (tenga en cuenta que deben usarse temperaturas absolutas ) da los siguientes resultados: [3] [6]
| Planta de energía | (DO) | (DO) | (Carnot) | (Endorreversible) | (Observado) |
|---|---|---|---|---|---|
| Central eléctrica a carbón de West Thurrock( Reino Unido ) | 25 | 565 | 0.64 | 0.40 | 0.36 |
| Central nuclear de CANDU ( Canadá ) | 25 | 300 | 0.48 | 0.28 | 0.30 |
| Central geotérmica de Larderello ( Italia ) | 80 | 250 | 0.33 | 0.178 | 0.16 |
Como se muestra, la eficiencia endorreversible modela mucho más de cerca los datos observados. Sin embargo, tal motor viola el principio de Carnot que establece que se puede trabajar en cualquier momento en que haya una diferencia de temperatura. El hecho de que los depósitos de agua caliente y fría no estén a la misma temperatura que el fluido de trabajo con el que están en contacto significa que el trabajo puede y se realiza en los depósitos de agua caliente y fría. El resultado es equivalente a unir las partes de alta y baja temperatura del ciclo, de modo que el ciclo se colapsa. [7] En el ciclo de Carnot, existe una estricta necesidad de que el fluido de trabajo esté a las mismas temperaturas que los depósitos de calor con los que están en contacto y que estén separados por transformaciones adiabáticas que eviten el contacto térmico. La eficiencia fue derivada por primera vez por William Thomson [8]en su estudio de un cuerpo con calentamiento desigual, en el que se eliminan las particiones adiabáticas entre cuerpos a diferentes temperaturas y se realiza el trabajo máximo. Es bien sabido que la temperatura final es la temperatura media geométrica. de modo que la eficiencia es la eficiencia de Carnot para un motor que funciona entre y .
Debido a la confusión ocasional sobre los orígenes de la ecuación anterior, a veces se la denomina eficiencia Chambadal-Novikov-Curzon-Ahlborn .
La energía (también llamada economía de la energía ) es el estudio de la energía en transformación . Debido a que la energía fluye a todas las escalas, desde el nivel cuántico hasta la biosfera y el cosmos , la energética es una disciplina muy amplia, que abarca, por ejemplo , la termodinámica , la química , la energética biológica , la bioquímica y la energética ecológica . Donde cada rama de la energética comienza y termina es un tema de debate constante. Por ejemplo, Lehninger (1973, p. 21) sostuvo que cuando la ciencia de la termodinámica se ocupa de los intercambios de energía de todos los tipos, puede llamarse energética.
Objetivos [ editar ]
En general, la energía se ocupa de definir relaciones para describir las tendencias de los flujos de energía y los almacenamientos en transformación, definidos aquí como fenómenos que se comportan como invariantes históricos bajo observaciones repetidas. Cuando un número crítico de personas ha observado tal invariancia, a ese principio generalmente se le otorga el estatus de " ley fundamental " de la ciencia. Como en toda investigación científica, si un teorema o un principio se considera una ley fundamental parece depender de cuánta gente esté de acuerdo con la proposición. El objetivo final de la energética es, por lo tanto, la descripción de las leyes fundamentales. Los filósofos de la ciencia han sostenido que las leyes fundamentales de la termodinámicapueden ser tratados como leyes de la energética, (Reiser 1926, p. 432). Al continuar describiendo con mayor precisión estas leyes, energetics pretende producir predicciones confiables sobre el flujo de energía y las transformaciones de almacenamiento a cualquier escala.
Historia [ editar ]
La energética tiene una historia controvertida. Algunos autores sostienen que sus orígenes se pueden encontrar en el trabajo de los antiguos griegos, pero que la formalización matemática comenzó con el trabajo de Leibniz . Richard de Villamil (1928) dijo que Rankine formuló la ciencia de la energía en su artículo " Contornos de la ciencia de la energía" publicado en las Actas de la Sociedad Filosófica de Glasgow en 1855. W. Ostwald y E. Mach posteriormente desarrollaron el estudio, y por la energía del siglo XIX se entendió como incompatible con la visión atómica del átomo transmitido por la teoría del gas de Boltzmann . La prueba del átomo resolvió la disputa, pero no sin daño significativo. En la década de 1920 lotkaIntenté basarme en los puntos de vista de Boltzmann a través de una síntesis matemática de la energética con la teoría evolutiva biológica. Lotka propuso que el principio selectivo de evolución era uno que favorecía la máxima transformación de flujo de energía útil. Esta visión influyó posteriormente en el desarrollo adicional de la energía ecológica, especialmente en el trabajo de Howard T. Odum .
De Villamil intentó aclarar el alcance de la energética con respecto a otras ramas de la física al postular un sistema que divide la mecánica en dos ramas; Energética (la ciencia de la energía ), y dinámica "pura", "abstracta" o "rígida" (la ciencia del impulso ). Según Villamil, la energética puede caracterizarse matemáticamente por ecuaciones escalares y dinámicas rígidas por ecuaciones vectoriales. En esta división, las dimensiones de la dinámica son espacio , tiempo y masa, y para energética, longitud , tiempo y masa (Villamil 1928, p. 9). Esta división se realiza de acuerdo con suposiciones fundamentales sobre las propiedades de los cuerpos, por ejemplo:
- ¿Las partículas que forman el sistema están rígidamente fijadas juntas?
- ¿Hay alguna maquinaria para detener los cuerpos en movimiento?
En el sistema de clasificación de Villamil, la dinámica dice sí a 1 y no a 2, mientras que la energética dice no a 1 y sí a 2. Por lo tanto, en el sistema de Villamil, la dinámica asume que las partículas están rígidamente fijas juntas y no pueden vibrar, y por lo tanto, todas deben estar en kelvin cero. La conservación del impulso es una consecuencia de esta visión, sin embargo, se considera válida solo en lógica y no es una representación real de los hechos (Villamil, p. 96). En contraste, la energía no asume que las partículas están rígidamente fijadas juntas y, por lo tanto, son libres de vibrar y, por lo tanto, pueden estar a temperaturas distintas de cero.
Teorías [ editar ]
Como una declaración general de los flujos de energía en transformación, los principios de la energía incluyen las primeras cuatro leyes de la termodinámica que buscan una descripción rigurosa. Sin embargo, el lugar preciso de las leyes de la termodinámica dentro de los principios de la energía es un tema actualmente en debate. Si el ecologista Howard T. Odum tenía razón, los principios de la energía toman en consideración un ordenamiento jerárquico de las formas de energía, cuyo objetivo es explicar el concepto de calidad de la energía y la evolución del universo. Albert Lehninger (1973, p. 2) llamó a estos ordenamientos jerárquicos el
Odum propuso 3 principios energéticos adicionales y un corolario que toma en cuenta la jerarquía energética . Los primeros cuatro principios de la energía están relacionados con las mismas leyes numeradas de la termodinámica , y se amplían en ese artículo.
portador de energía es una sustancia (forma de energía) o, a veces, un fenómeno (sistema de energía) que contiene energía que luego se puede convertir a otras formas, como trabajo mecánico o calor, o para operar procesos químicos o físicos.
Dichos transportadores incluyen resortes , baterías eléctricas , condensadores , aire presurizado , agua embalsada , hidrógeno , petróleo , carbón , madera y gas natural . Un portador de energía no produce energía ; simplemente contiene energía imbuida por otro sistema.
Definición según ISO 13600 [ editar ]
Según la norma ISO 13600, un portador de energía es una sustancia o un fenómeno que puede usarse para producir trabajo mecánico o calor o para operar procesos químicos o físicos. Es cualquier sistema o sustancia que contiene energía para la conversión como energía utilizable más tarde o en otro lugar. Esto podría convertirse para su uso, por ejemplo, en un aparato o vehículo. Dichos transportadores incluyen resortes , baterías eléctricas , condensadores , aire presurizado , agua embalsada , hidrógeno , petróleo , carbón , maderay gas natural .
Las series ISO 13600 (ISO 13600, ISO 13601 e ISO 13602 ) están destinadas a ser utilizadas como herramientas para definir, describir, analizar y comparar sistemas técnicos de energía (TES) a nivel micro y macro: [1]
- ISO 13600 ( Sistemas técnicos de energía - Conceptos básicos ) abarca las definiciones básicas y los términos necesarios para definir y describir las TES en general y las TES de los sectores de suministro y demanda de energía energética en particular.
- ISO 13601 ( Sistemas técnicos de energía - Estructura para el análisis - Sectores de oferta y demanda de energía energética ) abarca las estructuras que se utilizarán para describir y analizar los subsectores en el nivel macro de la oferta y demanda de energía energética.
- ISO 13602 (todas las partes) facilita la descripción y el análisis de cualquier sistema técnico de energía.
Definición dentro del campo de la energética [ editar ]
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En el campo de la energía , un portador de energía corresponde solo a una forma de energía (no a un sistema de energía) del aporte energético requerido por los diversos sectores de la sociedad para realizar sus funciones. [2] Los transportadores de energía (CE) son producidos por el sector de energía utilizando fuentes de energía primarias (PES). La distinción entre "Transportadores de energía" y "Fuentes de energía primaria" es extremadamente importante ya que estas dos etiquetas se refieren a formas de energía de diferente calidad para que no puedan agregarse: 1 megajulio (MJ) de EC no es lo mismo que 1 MJ de PES . La luz solar es una forma principal de energía primaria, que puede transformarse en plantas y luego en carbón, petróleo y gas.. La energía solar y la energía eólica son otros derivados de la luz solar. Tenga en cuenta que aunque el carbón , el petróleo y el gas natural se derivan de la luz solar, [3] se consideran fuentes de energía primarias que se extraen de la tierra ( combustibles fósiles ). El uranio natural también es una fuente de energía primaria extraída de la tierra, pero no proviene de la descomposición de los organismos (combustible mineral).
La calidad de la energía es el contraste entre las diferentes formas de energía , los diferentes niveles tróficos en los sistemas ecológicos y la propensión de la energía a convertirse de una forma a otra. El concepto se refiere a la experiencia empírica de las características, o qualia , de diferentes formas de energía a medida que fluyen y se transforman. Apela a nuestra percepción común del valor calorífico , la versatilidad y el desempeño ambiental de diferentes formas de energía y la forma en que un pequeño incremento en el flujo de energía a veces puede producir un gran efecto de transformación en el estado físico de la energía.y energía. Por ejemplo, la transición de un estado sólido a un líquido puede implicar solo una adición muy pequeña de energía. Los métodos para evaluar la calidad de la energía a veces tienen que ver con el desarrollo de un sistema para clasificar las cualidades energéticas en orden jerárquico .
Introducción [ editar ]
Desde antes de la antigüedad ha habido un profundo interés filosófico , estético y científico en el contraste de la calidad con la cantidad . En algunos aspectos, la historia del pensamiento moderno y posmoderno puede caracterizarse por el enfoque fenomenológico de estos dos conceptos. Una pregunta central ha sido si los diferentes aspectos cualitativos del mundo pueden entenderse en términos de cantidades racionales, o si los cualitativos y cuantitativos son irreconciliables: es decir, no hay una "calidad racional", o qualeproporción. Muchos científicos y filósofos analíticos dicen que no lo son, y por lo tanto consideran que algunos fenómenos cualitativos como, por ejemplo, la espiritualidad y la astrología no son cuantificables, no se pueden analizar con métodos científicos y, por lo tanto , no están basados en la realidad física. La noción de calidad energética, por lo tanto, tiene una tendencia a vincularse con fenómenos que muchos científicos consideran no cuantificables, o al menos incomunicables, y, por lo tanto, son descartados.
Al mismo tiempo, muchas personas también han reconocido diferencias cualitativas en la forma en que las diferentes entidades (tanto físicas como biológicas) pueden hacer las cosas. Los humanos, por ejemplo, tienen capacidades cualitativamente diferentes a muchos otros mamíferos, debido, en parte, a su pulgar oponible . En el intento de formalizar algunas de las diferencias cualitativas, las entidades se agruparon de acuerdo con características o capacidades distintivas. Diferentes escuelas de pensamiento utilizaron diferentes métodos para hacer distinciones. Algunas personas eligen la estructura taxonómica y del genoma , mientras que otras eligen energíaFuncionar como base de las clasificaciones. Las primeras a menudo se asocian con la biología, mientras que las segundas se asocian con el análisis trófico de la cadena alimentaria de la ecología. Estos pueden considerarse intentos de formalizar estudios científicos cuantitativos de las diferencias cualitativas entre entidades. Los esfuerzos no estuvieron aislados de la biología y la ecología, ya que los ingenieros también estaban interesados en cuantificar la cantidad de trabajo que podrían proporcionar las fuentes de energía cualitativamente diferentes.
Ohta [ editar ]
Según Ohta (1994, pp. 90-91), William Thomson propuso por primera vez la clasificación y el análisis científico de la calidad de la energía en 1851 bajo el concepto de "disponibilidad". Este concepto fue continuado en Alemania por Z. Rant, quien lo desarrolló bajo el título "die Exergie" (la exergía ). Posteriormente se continuó y estandarizó en Japón . El análisis de exergía ahora forma parte común de muchos análisis de energía industrial y ecológica. Por ejemplo, I.Dincer y YA Cengel (2001, p. 132) afirman que las formas de energía de diferentes calidades ahora se tratan comúnmente en la ingeniería de energía de vapor.industria. Aquí el "índice de calidad" es la relación de la exergía con el contenido energético (Ibid.). Sin embargo, los ingenieros energéticos sabían que la noción de calidad del calor implicaba la noción de valor , por ejemplo A. Thumann escribió: "La calidad esencial del calor no es la cantidad sino su" valor "" (1984, p. 113), que pone en juego la cuestión de la teleología y funciones de objetivos más amplios o ecológicos. En un contexto ecológico, SE Jorgensen y G.Bendoricchio dicen que la exergía se usa como una función de objetivo en los modelos ecológicos y expresa energía "con una medida incorporada de calidad como la energía" (2001, p. 392).
Métodos de evaluación de calidad de la energía [ editar ]
Parece que hay dos tipos principales de metodología utilizada para el cálculo de la calidad de la energía. Estos pueden clasificarse como métodos de receptor o donante. Una de las principales diferencias que distingue a estas clases es la suposición de si la calidad de la energía puede actualizarse en un proceso de transformación de energía.
Métodos de receptor: ver la calidad de la energía como una medida e indicador de la relativa facilidad con que la energía se convierte de una forma a otra. Es decir, cuánta energía se recibe de un proceso de transformación o transferencia. Por ejemplo, A. Grubler [1] utilizó dos tipos de indicadores de calidad energética pars pro toto : la relación hidrógeno / carbono (H / C), y su inversa, la intensidad de carbono de la energía. Grubler utilizó este último como un indicador de la calidad ambiental relativa. Sin embargo, Ohta dice que en los sistemas de conversión industrial de múltiples etapas, como un sistema de producción de hidrógeno que utiliza energía solar, la calidad de la energía no se mejora (1994, p. 125).
Métodos de los donantes: ver la calidad de la energía como una medida de la cantidad de energía utilizada en una transformación de energía, y eso implica mantener un producto o servicio (HTOdum 1975, p. 3). Esa es la cantidad de energía que se dona a un proceso de transformación de energía. Estos métodos se utilizan en química física ecológica y evaluación de ecosistemas. Desde este punto de vista, en contraste con lo descrito por Ohta, la calidad de la energía se actualiza en las conversiones tróficas de sistemas ecológicos de múltiples etapas. Aquí, la calidad de la energía mejorada tiene una mayor capacidad de retroalimentación y control de los grados más bajos de la calidad de la energía. Los métodos de los donantes intentan comprender la utilidad de un proceso energético cuantificando hasta qué punto la energía de mayor calidad controla la energía de menor calidad.
Calidad de la energía en la ciencia físico-química (transformaciones de energía directa) [ editar ]
Forma de energía constante, sino variable de flujo de energía [ editar ]
T.Ohta sugirió que el concepto de calidad de energía puede ser más intuitivo si se consideran ejemplos en los que la forma de energía permanece constante pero la cantidad de energía que fluye o se transfiere varía. Por ejemplo, si consideramos solo la forma inercial de la energía, entonces la calidad de la energía de un cuerpo en movimiento es mayor cuando se mueve con mayor velocidad. Si consideramos solo la forma de calor de la energía, entonces una temperatura más alta tiene mayor calidad. Y si consideramos solo la forma luminosa de energía, entonces la luz con mayor frecuencia tiene mayor calidad (Ohta 1994, p. 90). Todas estas diferencias en la calidad de la energía se miden fácilmente con el instrumento científico apropiado.
Forma de energía variable, pero flujo de energía constante [ editar ]
La situación se vuelve más compleja cuando la forma de energía no permanece constante. En este contexto, Ohta formuló la cuestión de la calidad de la energía en términos de la conversión de energía de una forma en otra, que es la transformación de la energía. Aquí, la calidad de la energía se define por la relativa facilidadcon que la energía se transforma, de una forma a otra.
Nomenclatura: Antes de la definición de Ohta anterior, AWCulp produjo una tabla de conversión de energía que describe las diferentes conversiones de una energía a otra. El tratamiento de Culp hizo uso de un subíndice para indicar de qué forma de energía se está hablando. Por lo tanto, en lugar de escribir "energía A", como Ohta arriba, Culp se refirió a "J e ", para especificar la forma eléctrica de energía, donde "J" se refiere a "energía", y el subíndice " e " se refiere a la forma eléctrica de energía. La notación de Culps anticipó la máxima de Scienceman (1997) de que toda la energía debería especificarse como energía de forma con el subíndice apropiado.
Calidad de la energía en la economía biofísica (transformaciones de energía indirectas) [ editar ]
La noción de calidad energética también fue reconocida en las ciencias económicas. En el contexto de la economía biofísica, la calidad de la energía se midió por la cantidad de producción económica generada por unidad de entrada de energía (CJ Cleveland et al. 2000). La estimación de la calidad de la energía en un contexto económico también se asocia con metodologías energéticas incorporadas . Brian Fleay da otro ejemplo de la relevancia económica del concepto de calidad energética. Fleay dice que la "Relación de ganancia de energía (EPR) es una medida de la calidad de la energía y un índice fundamental para evaluar el desempeño económico de los combustibles. Tanto los insumos de energía directos como los indirectos incorporados en bienes y servicios deben incluirse en el denominador". (2006; p. 10) Fley calcula el EPR como la salida de energía / entrada de energía.
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Clasificación de la calidad energética [ editar ]
La abundancia de energía y la facilidad de transformación relativa como medida de rango jerárquico y / o posición jerárquica [ editar ]
Ohta buscó ordenar conversiones de formas de energía según su calidad e introdujo una escala jerárquica para clasificar la calidad de la energía en función de la relativa facilidad de conversión de energía (consulte la tabla a la derecha después de Ohta, p. 90). Es evidente que Ohta no analizó todas las formas de energía. Por ejemplo, el agua queda fuera de su evaluación. Es importante tener en cuenta que la clasificación de la calidad de la energía no se determina únicamente con referencia a la eficiencia de la conversión de energía. Esto quiere decir que la evaluación de la "relativa facilidad" de una conversión de energía depende solo en parte de la eficiencia de transformación. Como escribió Ohta, "el generador de turbina y el motor eléctrico tienen casi la misma eficiencia, por lo tanto, no podemos decir cuál tiene la mejor calidad" (1994, p. 90). Ohta por lo tanto también incluye, 'abundancia en la naturaleza' Como otro criterio para la determinación del rango de calidad de energía. Por ejemplo, Ohta dijo que "la única energía eléctrica que existe en circunstancias naturales es un rayo, mientras que existen muchas energías mecánicas". (Ibídem.). (Ver también tabla 1. enArtículo de Wallpara otro ejemplo de ranking de calidad de energía).
Transformidad como una medida de la energía de rango jerárquico [ editar ]
Al igual que Ohta, HTOdum también buscó ordenar conversiones de formas de energía de acuerdo con su calidad, sin embargo, su escala jerárquica para la clasificación se basó en extender los conceptos de la cadena alimenticia del sistema ecológico a los termodanámicos en lugar de la relativa facilidad de transformación. Para HTO, el rango de calidad de energía se basa en la cantidad de energía de una forma requerida para generar una unidad de otra forma de energía. La relación de una entrada de forma de energía a una salida de forma de energía diferente fue lo que HTOdum y sus colegas denominaron transformidad : "el EMERGY por unidad de energía en unidades de emjoules por julios" (HTOdum 1988, p. 1135).
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