Rendimiento térmico

El rendimiento térmico o eficiencia de una máquina térmica es una magnitud de proceso y adimensional, definida como el cociente de la energía que deseamos obtener de dicha máquina y la energía que se debe transferir para su funcionamiento. Se designa con la letra griega η:

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

Historia

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:

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 mas caliente el fluido, mayor será la eficiencia del motor.

Cálculo del rendimiento para las distintas máquinas térmicas

• 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:

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:

y se tiene que η>1.

• El refrigerador funciona exáctamente 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:

donde ahora η>0.