Eficiencia (física): definición, fórmula y ejemplos

La eficiencia es una forma de describir la cantidad deproducciónun proceso o máquina puede generar como porcentaje delaportenecesario para hacerlo funcionar. En otras palabras, compara cuánta energía se usa para hacer el trabajo versus cuánta se pierde o desperdicia en el medio ambiente. Cuanto más eficiente es la máquina, menos energía se desperdicia.

Por ejemplo, si un motor térmico puede convertir el 75 por ciento del combustible que recibe en movimiento, mientras que el 25 por ciento se pierde como calor en el proceso, sería un 75 por ciento eficiente. Del 100 por ciento original del combustible, el 75 por ciento se produjo como trabajo útil.

Motores de calor

En física, el términomotores de calorpuede referirse a múltiples tipos de máquinas o procesos. Formalmente, un motor térmico es cualquier sistema termodinámico que convierte la energía térmica en energía mecánica o movimiento.

La receta básica para un motor térmico incluye lo siguiente:

  • Un baño de calor o algún tipo de fuente de calor de alta temperatura.
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  • Un depósito frío de baja temperatura en el que se deja salir el calor.
  • El motor en sí, que absorbe calor del depósito caliente para crear alguna forma de expansión del sistema que funcione en el medio ambiente (como encender un motor) y luego libera energía térmica en el depósito frío a medida que regresa a su estado inicial Expresar.

Por ejemplo, en un automóvil, el combustible quemado es la fuente de calor, el entorno alrededor del automóvil es el depósito de frío y la combustión. El motor es lo que hace el trabajo de transformar el calor en escape a medida que mueve los pistones y hace girar el cigüeñal, lo que permite que el automóvil manejar.

Eficiencia energética de un motor térmico

La eficiencia de una máquina térmica es la relación del trabajo útil realizado por el sistema (también llamado energía útil o energía de salida del sistema) sobre la energía térmica agregada al sistema (la entrada energía).

Es una medida de lo bueno que es el motor térmico para convertir la energía térmica en trabajo mecánico.

Matemáticamente:

DóndeWes trabajo hecho,Qes calor añadido y ambos se dan en la unidad SI de energía: julios.

Dado que la eficiencia es una relación, siempre se expresa como un porcentaje o como un valor entre 0 (sin eficiencia) y 1 (eficiencia total: toda la energía de entrada convertida en salida útil). ¡La eficiencia nunca puede ser superior al 1, o al 100 por ciento, porque violaría la ley de conservación de la energía si la cantidad de energía producida fuera mayor que la energía invertida! Esto implicaría que la energía se estaba creando a partir de la nada, una imposibilidad en este universo.

Eficiencia de Carnot

Un ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico de la máxima eficiencia posible. Debido a que ningún proceso en la naturaleza es perfectamente reversible (algo de energía siempre se pierde en forma de calor gracias a la segunda ley de la termodinámica), un ciclo de Carnot describe unaidealmotor térmico. En otras palabras, nadie podría construir uno.

El valor de un ciclo de Carnot está en establecer los límites superiores de cuán eficiente podría ser cualquier motor real. Se expresa en términos deThyTC, las temperaturas de los depósitos de energía fría y caliente, respectivamente, ambas en la unidad SI de Kelvins.

Consejos

  • \ textnormal {Eficiencia de Carnot} = \ frac {T_h - T_c} {T_h}

También se puede expresar en términos deQhyQC, el calor añadido y el calor emitido, respectivamente, ambos en julios.

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