En termodinámica , la eficiencia térmica ( ) es una medida adimensional del rendimiento de un dispositivo que utiliza energía térmica , como un motor de combustión interna , una turbina de vapor , una máquina de vapor , una caldera , un horno , un refrigerador , un aire acondicionado , etc.
En el caso de un motor térmico , la eficiencia térmica es la relación entre la salida de trabajo neto y la entrada de calor; en el caso de una bomba de calor , la eficiencia térmica (conocida como coeficiente de rendimiento o COP) es la relación entre la salida de calor neta (para calefacción) o el calor neto eliminado (para refrigeración) y la entrada de energía (trabajo externo). La eficiencia de un motor térmico es fraccionaria, ya que la salida siempre es menor que la entrada, mientras que el COP de una bomba de calor es mayor que 1. Estos valores están restringidos aún más por el teorema de Carnot .
En general, la eficiencia de conversión de energía es la relación entre la salida útil de un dispositivo y la entrada, en términos de energía . Para la eficiencia térmica, la entrada, , al dispositivo es calor , o el contenido de calor de un combustible que se consume. La salida deseada es trabajo mecánico , , o calor, , o posiblemente ambos. Debido a que el calor de entrada normalmente tiene un costo financiero real, una definición genérica y memorable de eficiencia térmica es [1]
De acuerdo con la primera ley de la termodinámica , la salida de energía no puede exceder la entrada, y por la segunda ley de la termodinámica no puede ser igual en un proceso no ideal, por lo que
Cuando se expresa como porcentaje, la eficiencia térmica debe estar entre el 0% y el 100%. La eficiencia debe ser menor del 100% porque existen ineficiencias como la fricción y la pérdida de calor que convierten la energía en formas alternativas. Por ejemplo, un motor de automóvil de gasolina típico opera con una eficiencia de alrededor del 25%, y una gran planta generadora eléctrica alimentada con carbón alcanza un máximo de alrededor del 46%. Sin embargo, los avances en las regulaciones de los deportes de motor de Fórmula 1 han empujado a los equipos a desarrollar unidades de potencia altamente eficientes que alcanzan un máximo de alrededor del 45-50% de eficiencia térmica. El motor diésel más grande del mundo alcanza un máximo del 51,7%. En una planta de ciclo combinado , las eficiencias térmicas se acercan al 60%. [2] Este valor del mundo real puede usarse como una cifra de mérito para el dispositivo.
Para los motores en los que se quema un combustible, existen dos tipos de eficiencia térmica: la eficiencia térmica indicada y la eficiencia térmica del freno. [3] Esta forma de eficiencia solo es apropiada cuando se comparan tipos o dispositivos similares.
Para otros sistemas, los detalles de los cálculos de eficiencia varían, pero la entrada adimensional sigue siendo la misma:
Eficiencia = Energía de salida / Energía de entrada.
Los motores térmicos transforman la energía térmica , o calor, Q in, en energía mecánica , o trabajo , W out . No pueden realizar esta tarea a la perfección, por lo que parte de la energía térmica de entrada no se convierte en trabajo, sino que se disipa como calor residual Q out < 0 en los alrededores:
La eficiencia térmica de un motor térmico es el porcentaje de energía térmica que se transforma en trabajo . La eficiencia térmica se define como
La eficiencia de incluso los mejores motores térmicos es baja; por lo general, inferior al 50% y, a menudo, muy inferior. Por lo tanto, la energía que pierden al medio ambiente los motores térmicos es un desperdicio importante de recursos energéticos. Dado que una gran fracción de los combustibles producidos en todo el mundo se destina a alimentar motores térmicos, tal vez hasta la mitad de la energía útil producida en todo el mundo se desperdicia en la ineficiencia del motor, aunque los esquemas modernos de cogeneración , ciclo combinado y reciclaje de energía están comenzando a utilizar este calor para otros fines. Esta ineficiencia se puede atribuir a tres causas. Existe un límite teórico general para la eficiencia de cualquier motor térmico debido a la temperatura, llamado eficiencia de Carnot. En segundo lugar, los tipos específicos de motores tienen límites inferiores en su eficiencia debido a la irreversibilidad inherente del ciclo del motor que utilizan. En tercer lugar, el comportamiento no ideal de los motores reales, como la fricción mecánica y las pérdidas en el proceso de combustión , causan más pérdidas de eficiencia.
La segunda ley de la termodinámica establece un límite fundamental a la eficiencia térmica de todos los motores térmicos. Incluso un motor ideal, sin fricción, no puede convertir ni cerca del 100% de su calor de entrada en trabajo. Los factores limitantes son la temperatura a la que el calor entra en el motor, , y la temperatura del entorno en el que el motor libera su calor residual, , medidas en una escala absoluta, como la escala Kelvin o Rankine . Según el teorema de Carnot , para cualquier motor que funcione entre estas dos temperaturas: [4]
Este valor límite se denomina eficiencia del ciclo de Carnot porque es la eficiencia de un ciclo de motor inalcanzable, ideal y reversible , llamado ciclo de Carnot . Ningún dispositivo que convierta calor en energía mecánica, independientemente de su construcción, puede superar esta eficiencia.
Ejemplos de esto son la temperatura del vapor caliente que entra en la turbina de una planta de energía a vapor o la temperatura a la que se quema el combustible en un motor de combustión interna . Por lo general, es la temperatura ambiente donde se encuentra el motor o la temperatura de un lago o río en el que se descarga el calor residual. Por ejemplo, si un motor de automóvil quema gasolina a una temperatura de y la temperatura ambiente es de , entonces su máxima eficiencia posible es:
Se puede observar que, dado que la temperatura de funcionamiento es determinada por el entorno, la única forma de que un diseñador aumente la eficiencia de Carnot de un motor es aumentar la temperatura a la que se añade calor al motor. La eficiencia de los motores térmicos ordinarios también aumenta generalmente con la temperatura de funcionamiento , y los materiales estructurales avanzados que permiten que los motores funcionen a temperaturas más altas son un área activa de investigación.
Debido a las otras causas que se detallan a continuación, los motores prácticos tienen eficiencias muy por debajo del límite de Carnot. Por ejemplo, el motor de automóvil promedio tiene una eficiencia inferior al 35%.
El teorema de Carnot se aplica a los ciclos termodinámicos, en los que la energía térmica se convierte en trabajo mecánico. Los dispositivos que convierten la energía química de un combustible directamente en trabajo eléctrico, como las pilas de combustible , pueden superar la eficiencia de Carnot. [5] [6]
El ciclo de Carnot es reversible y, por lo tanto, representa el límite superior de la eficiencia de un ciclo de motor. Los ciclos prácticos del motor son irreversibles y, por lo tanto, tienen una eficiencia inherentemente menor que la eficiencia de Carnot cuando funcionan entre las mismas temperaturas y . Uno de los factores que determinan la eficiencia es cómo se agrega calor al fluido de trabajo en el ciclo y cómo se elimina. El ciclo de Carnot logra la máxima eficiencia porque todo el calor se agrega al fluido de trabajo a la temperatura máxima , y se elimina a la temperatura mínima . Por el contrario, en un motor de combustión interna, la temperatura de la mezcla de combustible y aire en el cilindro no está cerca de su temperatura máxima cuando el combustible comienza a quemarse, y solo alcanza la temperatura máxima cuando se consume todo el combustible, por lo que la temperatura promedio a la que se agrega calor es menor, lo que reduce la eficiencia.
Un parámetro importante en la eficiencia de los motores de combustión es la relación de calor específico de la mezcla aire-combustible, γ . Esto varía un poco con el combustible, pero generalmente está cerca del valor del aire de 1,4. Este valor estándar se utiliza generalmente en las ecuaciones del ciclo del motor que se muestran a continuación y, cuando se realiza esta aproximación, el ciclo se denomina ciclo estándar de aire .
No se debe confundir la eficiencia térmica con otras eficiencias que se utilizan cuando se habla de motores. Las fórmulas de eficiencia anteriores se basan en modelos matemáticos idealizados simples de motores, sin fricción y con fluidos de trabajo que obedecen reglas termodinámicas simples llamadas ley de los gases ideales . Los motores reales tienen muchas desviaciones del comportamiento ideal que desperdician energía, lo que reduce las eficiencias reales por debajo de los valores teóricos dados anteriormente. Algunos ejemplos son:
Estos factores pueden tenerse en cuenta al analizar los ciclos termodinámicos, pero discutir cómo hacerlo queda fuera del alcance de este artículo.
Para un dispositivo que convierte energía de otra forma en energía térmica (como un calentador eléctrico, una caldera o un horno), la eficiencia térmica es
donde las cantidades son valores caloríficos equivalentes.
Por lo tanto, para una caldera que produce una potencia de 210 kW (o 700.000 BTU/h) por cada 300 kW (o 1.000.000 BTU/h) de calor equivalente consumido, su eficiencia térmica es 210/300 = 0,70, o 70%. Esto significa que el 30% de la energía se pierde en el medio ambiente.
Un calentador de resistencia eléctrica tiene una eficiencia térmica cercana al 100%. [8] Al comparar unidades de calefacción, como un calentador de resistencia eléctrica de alta eficiencia con un horno alimentado con gas natural con una eficiencia del 80%, se necesita un análisis económico para determinar la opción más rentable.
El poder calorífico de un combustible es la cantidad de calor que se libera durante una reacción exotérmica (p. ej., la combustión ) y es una característica de cada sustancia. Se mide en unidades de energía por unidad de sustancia, normalmente masa , como por ejemplo: kJ/kg, J / mol .
El valor calorífico de los combustibles se expresa como HHV, LHV o GHV para distinguir el tratamiento del calor de los cambios de fase:
La definición de valor calorífico que se utilice afecta significativamente a la eficiencia citada. No indicar si una eficiencia es HHV o LHV hace que esas cifras sean muy engañosas.
Las bombas de calor , los refrigeradores y los aparatos de aire acondicionado utilizan trabajo para trasladar el calor de un lugar más frío a uno más cálido, por lo que su función es opuesta a la de un motor térmico. La energía de trabajo ( W in ) que se les aplica se convierte en calor, y la suma de esta energía y la energía térmica que se absorbe del depósito frío ( Q C ) es igual a la magnitud de la energía térmica total cedida al depósito caliente (| Q H |)
Su eficiencia se mide mediante un coeficiente de rendimiento (COP). Las bombas de calor se miden por la eficiencia con la que ceden calor al depósito caliente, COP calefacción ; los refrigeradores y acondicionadores de aire por la eficiencia con la que absorben calor del espacio frío, COP refrigeración :
El motivo por el que se utiliza el término "coeficiente de rendimiento" en lugar de "eficiencia" es que, dado que estos dispositivos mueven calor, no lo crean, la cantidad de calor que mueven puede ser mayor que el trabajo de entrada, por lo que el COP puede ser mayor que 1 (100%). Por lo tanto, las bombas de calor pueden ser una forma más eficiente de calefacción que simplemente convertir el trabajo de entrada en calor, como en un calentador o un horno eléctricos.
Como son máquinas térmicas, estos dispositivos también están limitados por el teorema de Carnot . El valor límite de la «eficiencia» de Carnot para estos procesos, con la igualdad que teóricamente sólo se puede alcanzar con un ciclo «reversible» ideal, es:
El mismo dispositivo utilizado entre las mismas temperaturas es más eficiente cuando se lo considera como una bomba de calor que cuando se lo considera como un refrigerador, ya que
Esto se debe a que, al calentar, el trabajo empleado para hacer funcionar el dispositivo se convierte en calor y se suma al efecto deseado, mientras que si el efecto deseado es enfriar, el calor resultante del trabajo de entrada es solo un subproducto no deseado. A veces, el término eficiencia se utiliza para la relación entre el COP logrado y el COP de Carnot, que no puede superar el 100 %. [9]
La "eficiencia térmica" a veces se denomina eficiencia energética . En los Estados Unidos, en el uso cotidiano, el SEER es la medida más común de eficiencia energética para dispositivos de refrigeración, así como para bombas de calor cuando están en modo de calefacción. Para los dispositivos de calefacción por conversión de energía, su eficiencia térmica máxima en estado estable se indica a menudo, por ejemplo, "este horno tiene una eficiencia del 90%", pero una medida más detallada de la eficiencia energética estacional es la eficiencia anual del uso de combustible (AFUE). [10]
La función de un intercambiador de calor es transferir calor entre dos medios, por lo que el rendimiento del intercambiador de calor está estrechamente relacionado con la eficiencia energética o térmica. [11] Un intercambiador de calor de contraflujo es el tipo de intercambiador de calor más eficiente para transferir energía térmica de un circuito al otro [ cita requerida ] . Sin embargo, para obtener una imagen más completa de la eficiencia del intercambiador de calor, se deben tener en cuenta consideraciones exergéticas . Las eficiencias térmicas de un motor de combustión interna suelen ser más altas que las de los motores de combustión externa.
