Es relativamente sencillo encontrar definiciones científicas, rigurosas y matemáticas de la entropía y la exergía. Sin embargo, no es tan común encontrar explicaciones coloquiales sobre el estos términos que, posiblemente por ello, son desconocidos para la mayoría de las personas. En este artículo intentaremos explicar porque estos conceptos son importantes, y que influencia tienen en la ingeniería y en la vida cotidiana.

En primer lugar definimos la entropía como una magnitud termodinámica que determina que parte de la energía de un sistema no puede emplearse en la realización de trabajo. Por su parte, la exergía es un término complementario que indica la parte que puede emplearse en la realización de trabajo. Estos dos conceptos expresan una realidad, que es que dada una fuente energética, no toda la energía disponible puede convertirse en trabajo.

Así se introduce lo que se podría denominar como “calidad” de la energía. Dados dos fluidos, el que tenga mayor temperatura tiene mayor exergía, y por tanto, es capaz de realizar mayor trabajo. Imaginemos una casa en un lago, con una temperatura ambiente de 15 ºC, y la temperatura del lago a 16 ºC. Aunque, en su conjunto, el lago tiene una enorme cantidad de energía, debido al pequeño salto térmico dispone de poca exergía. De esta forma, si yo quiero calentarme emplearé, una bolsa de agua a 60 ºC, aunque en realidad la bolsa contiene una menor cantidad de energía que el lago.

Otro ejemplo lo tenemos en la energía eléctrica, que es prácticamente en su totalidad exergía. Esté es el motivo por el que nunca debe emplearse resistencias eléctricas para calentar un fluido, o como sistema de calefacción. La forma correcta es emplear esta energía eléctrica, de alta exergía, en realizar un trabajo (mover un motor, un compresor…) y emplear el agua de refrigeración para la obtención de calor. Este es uno de los principios de la cogeneración.

Finalmente, pongamos un ejemplo en energía solar. En una instalación de aprovechamiento solar térmico un colector solar puede generar unos 700 W/m2 de fluido a 100-110 ºC. Sin embargo, un panel foto voltaico de la misma superficie nos entregaría aproximadamente 150 W/m2. Aparentemente, tiene mucho peor rendimiento. La diferencia es que estos últimos son Watios eléctricos, es decir, de muy alta exergía. Si ahora cogemos esta energía eléctrica y los empleamos para hacer funcionar una bomba de calor (que típicamente tienen un EER de entre 4 – 4.5) tendríamos rendimientos similares que en el caso de un colector solar.

Estamos acostumbrados a usar, en nuestro lenguaje cotidiano, el término energía de forma habitual. Hablamos de energía eléctrica, energía térmica, solar, nuclear o eólica. Incluso estamos familiarizados con términos como energía cinética, calor, energía potencial, radiación.

Pero…

¿Qué es realmente la energía?

A menudo, es más difícil definir las cosas “sencillas” que otras que aparentemente parecen más complejas. En general podemos decir que, tradicionalmente, la física clásica considera que el universo está formado por masa y energía. No obstante, con la física relativista las barreras entre masa y energía se disolvieron, y la definición de las mismas se volvió más compleja de lo que, hace un siglo, se podría llegar a imaginar. Por esto, haremos aquí un tratamiento clásico de la energía, que es el que de forma habitual usamos en el ámbito de la ingeniería y en la vida cotidiana.

Así, podemos definir la energía, como una propiedad de un sistema que la capacidad para la realización de un trabajo. Es importante destacar que el concepto de trabajo en ingeniería se define como,

Como sabemos, según la ley de Newton

Se deduce que la energía provoca la modificación del estado cinético de un sistema. Es decir, la energía y el trabajo, tienen que ver con la modificación de la velocidad de las partículas de un sistema.

Por ejemplo, la energía cinética es el movimiento de las masas de un sistema. La temperatura es el movimiento aleatorio de las partículas de un cuerpo. La radiación el movimiento de ondas electromagnéticas. Los sistemas pueden interactuar cediendo energía de unos a otros, como ocurre en el choque de dos cuerpos, o al poner en contacto dos sistemas con temperaturas distintas.

De igual forma asumimos que esta energía, en ciertas circunstancias, puede ser almacenada en lo que denominamos energía potencial. Esta energía potencial puede ser gravitatoria, eléctrica, magnética, hidráulica o química. Esta energía almacenada puede convertirse otra vez en trabajo. Este proceso ocurre, por ejemplo, en las baterías eléctricas, o cuando bombeamos agua a un depósito elevado para turbinarlo cuando necesitamos energía.

Por último, mencionar que la unidad de energía es el Julio (J), que corresponde a la cantidad de energía necesaria para ejercer una fuerza de un Newton durante un desplazamiento de un metro. Los múltiplos son el kiloJulio (1kJ = 1.000J) y el megaJulio (1MJ = 1.000.000J)