Exergia: uma medida do potencial de trabalho

A consciência crescente de que as fontes de energia do mundo são limitadas tem levado alguns governantes a reexaminarem suas políticas energéticas e adotarem medidas drásticas para eliminar as perdas. Isto tem também despertado o interesse da comunidade científica em acompanhar mais de perto os dispositivos de conversão de energia e a desenvolver novas técnicas para melhor utilizar as fontes limitadas existentes. A exergia é utilizada como um indicador de referência ecológica. Provavelmente o ser humano não morrerá de poluição direta mas de novas doenças relacionadas a microorganismos novos que são melhores providos no ambiente crescentemente poluído.

A primeira lei da Termodinâmica lida com a quantidade de energia e assegura que a energia não pode ser criada ou destruída. A segunda lei da Termodinâmica, contudo, trata da qualidade das diferentes formas de energia e estuda as causas que determinaram a sua degradação. Kotas (1985) define a qualidade da energia como a sua capacidade de provocar mudanças. Mais especificamente, ela esta interessada na degradação de energia durante um processo, a geração de entropia, e as perdas de oportunidades para realizar trabalho. Ela tem mostrado ser uma ferramenta muito potente na otimização de sistemas termodinâmicos complexos.

A exergia pode ser definida como sendo o máximo trabalho que pode ser obtido a partir de uma forma de energia, para isto, usam-se os parâmetros ambientais como o estado de referência (estado morto). Desta forma, a exergia pode ser estabelecida como o padrão mais adequado para avaliação da variação da qualidade da energia na análise de sistemas térmicos (Kotas, 1985).

De acordo com Ahrendts (1980), a parte de qualquer forma de energia que pode ser convertida em trabalho de eixo é denominada energia disponível. A exergia significa esta energia disponível enquanto que se dá o nome de anergia para a parte complementar da energia que não pode ser convertida em exergia. As leis da Termodinâmica são então reduzidas a uma discrição simples: a soma de exergia e energia permanecem constantes em todo processo. Processos naturais convertem exergia em anergia, e é somente para processos reversíveis que exergia é uma propriedade conservada.

Szargut (1980) define a exergia como sendo a quantidade de trabalho obtida quando alguma matéria é levada para um estado de equilíbrio termodinâmico com os componentes comuns do ambiente natural por meio de processo reversível, envolvendo interação somente com os componentes naturais deste meio ambiente. Segundo Rant (Szargut et al., 1988), exergia é a parte da energia que pode ser completamente convertida em energia mecânica.

Quando é realizada uma análise exergética, a confirmação de pontos onde num processo poderão ocorrer perdas será identificada com certa facilidade, visto que são nestes pontos onde ocorre a maior destruição da exergia. Esta destruição de exergia é função das irreversibilidades do processo ou da degradação da qualidade dos recursos energéticos (Kotas, 1985).

De acordo com Campo (1999) a análise exergética permite a avaliação da conversão de energia, uma vez que proporciona uma ferramenta para uma clara discussão entre perdas de exergia para o meio ambiente e irreversibilidades internas e externas do processo.

De acordo com Gaggioli e Wepfer (1980), a análise da segunda lei é baseada no conceito chamado de exergia, energia disponível, disponibilidade ou exergia útil, que é sinônimo daquilo que os leigos chamam de energia. É a exergia, não a energia, que é a fonte de valor, e é por esta mercadoria, que alimenta processos, que os leigos estão dispostos a pagar.

Uma terminologia para aplicação do método exergético está disponibilizada no trabalho de Rivero e Polido (1990), onde delineiam a fundamentação teórica dos conceitos da exergia propostos por Gibbs, e também os diversos nomes empregados ao logo do tempo, a fim de definir de forma clara e concisa esta nova idéia.

Quando uma nova fonte de energia é descoberta, a primeira coisa que se precisa conhecer é o seu potencial de trabalho, isto é, a quantidade de energia que pode ser extraída como trabalho útil. O resto da energia será eventualmente jogado fora como energia perdida e não é a merecedora de nossa consideração. Assim, é desejável ter uma propriedade que permita determinar o potencial de trabalho útil de uma dada quantidade de energia num dado estado especificado. Esta propriedade é a exergia, X, como mencionada, que é também chamada de disponibilidade ou energia disponível.

O potencial de trabalho da energia contida num sistema num estado especificado é simplesmente o máximo trabalho útil que pode ser obtido de um sistema. O trabalho realizado por um sistema durante um processo depende do estado inicial, do estado final, e do caminho do processo. Em uma análise exergética, o estado inicial é especificado, e assim não é uma variável. O trabalho de saída é maximizado quando o processo entre os dois estados especificados é executado de maneira reversível. Conseqüentemente, todas as irreversibilidades são desprezadas na determinação do potencial de trabalho. Finalmente, o sistema deve estar no estado morto no final do processo para maximizar o trabalho de saída.

Um sistema é dito estar no estado morto quando ele está em equilíbrio termodinâmico com o ambiente em que se encontra. No estado morto, um sistema está na temperatura e pressão de seu meio ambiente (em equilíbrio térmico e mecânico); ele não tem energia cinética ou potencial relativo ao ambiente (velocidade zero e elevação zero acima do nível de referência); e ele não reage com o ambiente (quimicamente inerte). Também, não há desbalanceamento magnético, efeitos elétricos e de tensão superficial entre o sistema e sua vizinhança se estes são relevantes para situação em mãos. As propriedades do sistema no estado morto são denotadas com o subscrito zero, por exemplo, P0, T0, h0, u0, e s0. Um

sistema tem disponibilidade zero no estado morto.

Um sistema realizará o máximo trabalho possível quando ele sofrer um processo reversível de um estado inicial especificado até o estado de seu ambiente, isto é, o estado morto. Isto representa o potencial de trabalho útil do sistema no estado especificado e é chamado de exergia. É importante salientar que a exergia não representa a quantidade de

trabalho realizada por um dispositivo, mas o limite superior para a quantidade de trabalho produzida sem violar qualquer lei da Termodinâmica. Haverá sempre uma diferença, grande ou pequena, entre a exergia e o trabalho real produzido por um dispositivo. Esta diferença representa o espaço que os engenheiros têm para realizar melhorias.

A exergia de um sistema num estado especificado depende das condições do ambiente tanto quanto das propriedades do sistema. Conseqüentemente, a disponibilidade é uma propriedade da combinação sistema-meio ambiente e não apenas do sistema.

A propriedade exergia serve como uma ferramenta valiosa na determinação da qualidade da energia e compara os potenciais de trabalho de diferentes fontes de energia ou sistemas. A avaliação da exergia apenas, contudo, não é suficiente para o estudo de dispositivos de engenharia entre dois estados fixados. Isto porque quando se avalia a exergia, o estado final é sempre assumido como o estado morto, que raramente é o caso para sistemas reais. Duas quantidades que estão relacionadas com os estados iniciais e finais do processo e servem com ferramentas valiosas na analise de componentes ou sistemas são o trabalho reversível e a irreversibilidade (ou destruição de exergia).

Quando se faz um balanço da exergia, as quantidades de exergia que entram no sistema, devem ser transformadas, sempre que possível, em exergia de corrente de saída e são estas correntes que constituem o fim para o qual o referido sistema foi projetado.

As diferenças entre as exergias na entrada e saída podem ser justificadas por perdas ou irreversibilidades do processo. A parte dessa diferença devido a causas internas do sistema é chamada de exergia destruída e a que sai em correntes que não constituem produto para o qual o sistema foi concebido se conhece como perdas de exergia (Kotas, 1985).