Rendimiento térmico

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La energía producida o energía salida del sistema (Esal) es simpre menor que la energía suministrada o energía entrada al sistema (Eent).

El rendimiento térmico o eficiencia de una máquina térmica es un coeficiente o ratio adimensional calculado como el cociente de la energía producida (en un ciclo de funcionamiento) y la energía suministrada a la máquina (para que logre completar el ciclo termodinámico). Se designa con la letra griega ηter:

\eta_{ter}=\frac{E_{\rm producida}}{E_{\rm suminstrada}} = \frac{E_{\rm salida}}{E_{\rm entrada}}

Dependiendo del tipo de máquina térmica, la transferencia de estas energías se realizará en forma de calor, Q, o de trabajo, W.

Historia[editar]

En 1824, el físico francés Sadi Carnot derivó la eficiencia térmica para una máquina térmica ideal como una función de la temperatura de sus reservorios fríos y calientes:

 \eta \equiv \frac{T_H - T_C}{T_H}

donde

T_H es la temperatura del reservorio caliente;
T_C es la temperatura del reservorio frío.

La ecuación demuestra que se obtienen mayores niveles de eficiencia con un mayor gradiente de temperatura entre los fluidos calientes y fríos. En la práctica, cuanto más caliente el fluido, mayor será la eficiencia del motor.

Cálculo del rendimiento para las distintas máquinas térmicas[editar]

  • El motor térmico recibe un calor, Q_c, de un foco o fuente caliente, efectúa un trabajo, W, y debe ceder calor, Q_f, a un foco frío. Para que la energía se conserve debe cumplirse que Q_c=W+Q_f. El rendimiento es por lo tanto:

\eta=\frac{W}{Q_c}=\frac{Q_c-Q_f}{Q_c}=1-\frac{Q_f}{Q_c}

donde se cumple que -0<η<1.
  • La bomba térmica o de calor es capaz de transferir una energía calorífica, Q_c, a un foco caliente desde una fuente fría de la que absorbe un calor, Q_f, si se realiza un determinado trabajo, W, sobre la máquina. Este proceso es justo el opuesto al realizado por el motor térmico, es por ello que también debe cumplirse la relación Q_c=W+Q_f. El rendimiento es:

\eta=\frac{Q_c}{W}=\frac{Q_c}{Q_c-Q_f}

y se tiene que η>1.
  • El refrigerador funciona exactamente igual que la bomba térmica pero como el interés de ésta máquina es enfriar, la transferencia de energía deseada es Q_f y el rendimiento queda como:

\eta=\frac{Q_f}{W}=\frac{Q_f}{Q_c-Q_f}

donde ahora η>0.

Véase también[editar]