En termodinámica , la eficiencia térmica ( ) es una medida de rendimiento adimensional 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 , aire acondicionado , etc.
Para un motor térmico , la eficiencia térmica es la relación entre la producción neta de trabajo y la entrada de calor; En el caso de una bomba de calor , la eficiencia térmica (conocida como coeficiente de rendimiento ) es la relación entre la producción neta de calor (para calefacción) o el calor neto extraído (para refrigeración) y la entrada de energía (trabajo externo). La eficiencia de un motor térmico es fraccionaria ya que la salida es siempre menor que la entrada, mientras que el COP de una bomba de calor es mayor que 1. Estos valores están aún más restringidos 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. El resultado deseado es trabajo mecánico , 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]
Según la primera ley de la termodinámica , la producción de energía no puede exceder la entrada, y según 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 0% y 100%. La eficiencia debe ser inferior al 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 funciona con una eficiencia de alrededor del 25%, y una gran planta generadora de electricidad 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 eficiencia térmica de entre el 45% y el 50%. El motor diésel más grande del mundo alcanza un máximo del 51,7%. En una central de ciclo combinado , las eficiencias térmicas se acercan al 60%. [2] Dicho valor en el mundo real puede usarse como figura de mérito para el dispositivo.
Para los motores en los que se quema combustible, existen dos tipos de eficiencia térmica: eficiencia térmica indicada y eficiencia térmica de freno. [3] Esta forma de eficiencia sólo es apropiada cuando se comparan tipos similares 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 entrante no se convierte en trabajo, sino que se disipa como calor residual Q < hacia el entorno:
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 incluso de los mejores motores térmicos es baja; normalmente por debajo del 50% y a menudo muy por debajo. Por lo tanto, la energía que los motores térmicos pierden en el medio ambiente es un importante desperdicio de recursos energéticos. Dado que una gran fracción de los combustibles producidos en todo el mundo se destina a alimentar motores térmicos, quizás hasta la mitad de la energía útil producida en todo el mundo se desperdicie en la ineficiencia de los motores, aunque los esquemas modernos de cogeneración , ciclo combinado y reciclaje de energía están comenzando a utilizar este calor para otros fines. . Esta ineficiencia puede atribuirse a tres causas. Existe un límite teórico general para la eficiencia de cualquier máquina térmica debido a la temperatura, llamado eficiencia de Carnot. En segundo lugar, tipos específicos de motores tienen límites más bajos 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 , provocan mayores pérdidas de eficiencia.
La segunda ley de la termodinámica pone un límite fundamental a la eficiencia térmica de todos los motores térmicos. Incluso un motor ideal y sin fricción no puede convertir ni cerca del 100% del calor de entrada en trabajo. Los factores limitantes son la temperatura a la que el calor ingresa al motor, y la temperatura del ambiente al que el motor expulsa su calor residual, medida en una escala absoluta, como la escala Kelvin o Rankine . Del 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 reversible, ideal e inalcanzable llamado ciclo de Carnot . Ningún dispositivo que convierta calor en energía mecánica, independientemente de su construcción, puede superar esta eficiencia.
Ejemplos de ello son la temperatura del vapor caliente que entra en la turbina de una central eléctrica de vapor , o la temperatura a la que se quema el combustible en un motor de combustión interna . suele ser la temperatura ambiente donde se encuentra el motor, o la temperatura de un lago o río al que se descarga el calor residual. Por ejemplo, si el motor de un automóvil quema gasolina a una temperatura de y la temperatura ambiente es , entonces su máxima eficiencia posible es:
Se puede ver que, dado que está determinado por el medio ambiente, la única forma que tiene un diseñador de aumentar la eficiencia de Carnot de un motor es aumentar la temperatura a la que se agrega calor al motor. La eficiencia de los motores térmicos ordinarios generalmente también aumenta 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 otras causas que se detallan a continuación, los motores prácticos tienen eficiencias muy por debajo del límite de Carnot. Por ejemplo, el motor de un automóvil promedio tiene una eficiencia inferior al 35%.
El teorema de Carnot se aplica a los ciclos termodinámicos, donde 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 tanto, representa el límite superior de 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 se opera 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 ni cerca de su temperatura máxima cuando el combustible comienza a arder, y sólo alcanza la temperatura máxima cuando se consume todo el combustible, por lo que la temperatura promedio a la que se añade 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 de aire y combustible, γ . Esto varía un poco según el combustible, pero generalmente se acerca al valor del aire de 1,4. Este valor estándar se utiliza generalmente en las ecuaciones del ciclo del motor que aparecen 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, reduciendo las eficiencias reales por debajo de los valores teóricos indicados anteriormente. Ejemplos son:
Estos factores pueden tenerse en cuenta al analizar los ciclos termodinámicos; sin embargo, la discusión sobre cómo hacerlo está 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 equivalentes de calor.
Entonces, para una caldera que produce 210 kW (o 700 000 BTU/h) de salida por cada 300 kW (o 1 000 000 BTU/h) de entrada equivalente de calor, su eficiencia térmica es 210/300 = 0,70, o 70 %. Esto significa que el 30% de la energía se pierde al 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 altamente eficiente 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 liberado durante una reacción exotérmica (p. ej., combustión ) y es una característica de cada sustancia. Se mide en unidades de energía por unidad de sustancia, generalmente masa , como por ejemplo: kJ/kg, J / mol .
El poder 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 poder calorífico que se utilice afecta significativamente cualquier eficiencia cotizada. No indicar si una eficiencia es HHV o LHV hace que dichas cifras sean muy engañosas.
Las bombas de calor , los refrigeradores y los aires acondicionados utilizan el trabajo para mover el calor de un lugar más frío a un lugar más cálido, por lo que su función es la 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 toma del depósito frío ( Q C ) es igual a la magnitud de la energía térmica total dada. hacia el 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 desprenden calor al depósito caliente, calentamiento COP ; refrigeradores y aires acondicionados por la eficiencia con la que absorben calor del espacio frío, enfriamiento COP :
La razón por la 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. de 1 (100%). Por lo tanto, las bombas de calor pueden ser una forma más eficiente de calentar que simplemente convertir el trabajo de entrada en calor, como en un calentador o horno eléctrico.
Al ser 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 teóricamente alcanzable sólo con un ciclo "reversible" ideal, es:
Un mismo dispositivo utilizado entre las mismas temperaturas es más eficiente considerado como bomba de calor que considerado como frigorífico ya que
Esto se debe a que cuando se calienta, el trabajo utilizado 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 alcanzado y el COP de Carnot, que no puede exceder el 100%. [9]
La 'eficiencia térmica' a veces se denomina eficiencia energética . En los Estados Unidos, en el uso diario, el SEER es la medida más común de eficiencia energética para dispositivos de refrigeración, así como para bombas de calor cuando están en modo calefacción. Para los dispositivos de calefacción por conversión de energía, su eficiencia térmica máxima en estado estacionario a menudo se indica, por ejemplo, "este horno tiene una eficiencia del 90%", pero una medida más detallada de la efectividad energética estacional es la eficiencia anual en el uso de combustible (AFUE). [10]
Un intercambiador de calor a contracorriente es el tipo más eficiente de intercambiador de calor para transferir energía térmica de un circuito a otro. Sin embargo, para obtener una imagen más completa de la eficiencia del intercambiador de calor, se deben tener en cuenta consideraciones exergéticas . La eficiencia térmica de un motor de combustión interna suele ser mayor que la de los motores de combustión externa.
