Calculadora de eficiencia térmica

La eficiencia térmica es la fracción del calor absorbido de una fuente caliente que un motor térmico convierte en trabajo neto útil, y suele expresarse en porcentaje. En la definición clásica del primer principio se miden dos magnitudes energéticas en un ciclo o intervalo de régimen: el trabajo de salida W entregado por el motor y el calor de entrada Q_in tomado del reservorio caliente. Su cociente define η igual a W dividido por Q_in, o cien veces ese cociente cuando se prefiere la forma porcentual de los manuales, informes de laboratorio y paneles de planta. Esta calculadora acepta esos dos números, comprueba que el calor de entrada no sea cero y devuelve la eficiencia en porcentaje, la fracción adimensional y el calor complementario rechazado al sumidero frío bajo el balance de ciclo cerrado Q_out igual a Q_in menos W. Un calor de entrada nulo se rechaza con un error de validación claro porque la fórmula definitoria dividiría por cero y ningún motor físico puede reportar eficiencia sin absorber calor.

Cómo se define la eficiencia térmica a partir del trabajo y el calor

Parta de la idealización clásica del motor térmico usada en secundaria y en el primer curso de termodinámica de ingeniería: un dispositivo que absorbe calor Q_in de una fuente a alta temperatura, rechaza algo de calor Q_out a un sumidero frío y entrega trabajo neto W en un ciclo.

La conservación de la energía en un proceso cíclico exige que el trabajo neto sea la diferencia entre el calor absorbido y el rechazado, de modo que W es igual a Q_in menos Q_out cuando ambos calores se miden como magnitudes positivas de entrada y salida del motor. La eficiencia térmica se define entonces como el trabajo útil por unidad de calor adquirido de la fuente caliente: η es igual a W entre Q_in.

Multiplicar por cien convierte esa fracción en porcentaje, que es como la presentan la mayoría de las soluciones de deberes, las placas de características y los informes de rendimiento de planta. La calculadora implementa exactamente esa definición algebraica. No impone el límite superior de Carnot a partir de temperaturas absolutas, no integra irreversibilidades a lo largo de un camino y no especializa la fórmula para los ciclos Otto, Diesel, Brayton o Rankine que sustituyen W y Q_in por expresiones de temperatura o de relación de compresión.

Esas fórmulas de ciclo son intenciones de búsqueda distintas y merecen sus propias páginas. El trabajo puede ser cero, lo que produce eficiencia nula y es un caso degenerado válido. Un trabajo mayor que el calor de entrada produce una eficiencia superior al cien por ciento, lo cual es matemáticamente admisible y puede señalar error de medición o un modelo fuera del balance simple de motor térmico.

Dónde aparecen los cálculos de eficiencia térmica en el trabajo real

Los cursos de física de secundaria y universidad asignan con frecuencia problemas de motores térmicos que dan trabajo de salida y calor de entrada y piden la eficiencia térmica en porcentaje, a menudo antes de introducir los límites de Carnot o las fórmulas específicas de ciclo. Los laboratorios de ingeniería universitaria reducen el trabajo de eje medido y el calor liberado en calorímetro a un único número η antes de tratar la disponibilidad del segundo principio o las eficiencias de componente.

Los ingenieros de centrales y de cogeneración comprueban las afirmaciones de placa calculando η a partir de los megavatios-hora eléctricos registrados y del calor de combustible en el mismo intervalo. Las celdas de ensayo automotrices y aeroespaciales comparan trabajo indicado o de freno con la energía del combustible para reportar eficiencia térmica indicada y de freno sin ejecutar una simulación completa de ciclo.

Si más adelante necesita la eficiencia de Carnot a partir de dos temperaturas absolutas, la eficiencia de ciclo Otto o Diesel a partir de la relación de compresión y gamma, o la conversión de unidades entre julios y BTU antes del paso del cociente, trátelas como intenciones de búsqueda y páginas distintas en lugar de sobrecargar esta calculadora de eficiencia térmica.