La fracción de entrada de calor que se convierte en la salida de trabajo neto, es una medida de rendimiento de una máquina térmica que se denomina eficiencia térmica o simplemente eficiencia de una máquina térmica. Se define como la razón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo. Es la eficiencia térmica (η) la que mide qué parte de la energía térmica de entrada se convierte con éxito en trabajo útil. La eficiencia en una máquina térmica es la relación entre la energía que deseamos obtener de dicha máquina (energía útil = trabajo que nos entrega) y la energía consumida en su funcionamiento (energía suministrada = energía absorbida).
Fundamentos de la eficiencia y la Termodinámica
La eficiencia térmica puede utilizarse para cuantificar esta eficacia. La Eficiencia Térmica η, o Coeficiente de Rendimiento, es el porcentaje del aporte de calor Q que entra en un sistema y que éste transforma en trabajo W. La expresión para la eficiencia térmica estará dada por:
η = W / Q
La eficiencia térmica sólo puede tomar valores comprendidos entre 0 y 1, 0% - 100%, como puede verse aplicando la primera ley de la termodinámica a la definición de η. Toda máquina térmica desperdicia cierta cantidad del calor suministrado. En la práctica no se ha encontrado un procedimiento que convierta al 100% una cantidad determinada de calor en trabajo mecánico. No hay máquinas térmicas perfectas, salvo la ideal conocida como máquina de Carnot, que no presenta ningún tipo de pérdidas y su eficiencia depende exclusivamente de las temperaturas con las que absorbe o cede calor.
El límite de Carnot y la Segunda Ley
Sadi Carnot demostró que incluso una máquina térmica ideal sin fricción tiene un techo de eficiencia absoluto dictado puramente por las temperaturas de la fuente de calor (TH) y el sumidero frío (TC). Esta ecuación nos dice que la única forma de que η sea igual a uno es si TC = 0 K, lo que se conoce como cero absoluto. La Segunda Ley de la Termodinámica dicta que ninguna máquina puede ser 100% eficiente porque el calor de escape siempre debe ser rechazado. Enunciado de Kelvin de la 2ª Ley de la Termodinámica: Es imposible que el calor se convierta completamente durante un proceso cíclico.
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Como hemos visto, la eficacia de una máquina de calor reversible sólo viene determinada por las temperaturas de los depósitos térmicos entre los que funciona:
η = 1 - (TC / TH)
Comparativa de rendimientos típicos
Generalmente, el rendimiento de máquinas de vapor está entre 15 y 18%, la de turbinas de vapor alrededor de 30%, y en motores de combustión interna entre 22 y 40 por ciento. A continuación, se presenta una tabla resumen de rendimientos y características:
- Máquina de vapor: Eficiencia promedio 15-18%.
- Turbinas de vapor: Eficiencia aproximada 30%.
- Motores de combustión interna: Eficiencia entre 22-40%.
- Motores diésel: Eficiencia promedio de alrededor de 25%.
- Motores térmicos de alta eficiencia: Pueden alcanzar 50-60%.
Análisis en ciclos industriales y calderas
El cálculo de la eficiencia de las calderas es un aspecto crucial para la operación rentable y sostenible de los sistemas de generación de calor y vapor. La eficiencia de una caldera es una medida de cuán efectivamente convierte la energía del combustible en calor útil. El método directo de cálculo de eficiencia es simple y fácil de entender, mientras que el método indirecto calcula la eficiencia considerando todas las pérdidas de energía en la caldera.
Para ciclos más complejos, como el ciclo dual, se analizan factores como la relación de compresión, la relación de presiones y la relación de cierre de admisión. Se observa que, para una relación de compresión dada, la eficiencia térmica disminuye a medida que aumenta la relación de cierre de admisión del motor. Del mismo modo, altos valores de la relación de compresión y de la temperatura máxima del ciclo incrementan el rendimiento térmico y el trabajo neto.
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