Eficiencia de Carnot
Las máquinas térmicas transforman el calor en trabajo. El rendimiento térmico expresa la fracción de calor que se convierte en trabajo útil. El rendimiento térmico se representa con el símbolo [math]\eta[/math], y puede calcularse mediante la ecuación:
Los motores térmicos suelen funcionar con un rendimiento de entre el 30% y el 50%, debido a las limitaciones prácticas. Es imposible que los motores térmicos alcancen un rendimiento térmico del 100% ([math]\eta = 1[/math]) según la Segunda Ley de la Termodinámica. Esto es imposible porque en un motor térmico siempre se produce algo de calor residual, mostrado en la figura 1 por el término [math]Q_L[/math]. Aunque la eficiencia completa en un motor térmico es imposible, hay muchas formas de aumentar la eficiencia global de un sistema.
Este mismo resultado puede obtenerse midiendo el calor residual del motor. Por ejemplo, si se introducen 200 J en el motor y se observan 120 J de calor residual, se habrán realizado 80 J de trabajo, lo que supone una eficiencia del 40%.
Esto describe la eficiencia de un motor idealizado, que en la realidad es imposible de alcanzar[3] A partir de esta ecuación, cuanto más baja sea la temperatura del sumidero [math]T_L[/math] o más alta la temperatura de la fuente [math]T_H[/math], más trabajo estará disponible en el motor térmico. La energía para el trabajo proviene de una disminución de la energía total del fluido utilizado en el sistema. Por lo tanto, cuanto mayor sea el cambio de temperatura, mayor será esta disminución en el fluido y, por lo tanto, mayor será la energía disponible para realizar trabajo[4].
Máxima eficiencia teórica del ciclo de potencia
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El rendimiento de los motores térmicos es la relación entre la energía total contenida en el combustible y la cantidad de energía utilizada para realizar un trabajo útil. Hay dos clasificaciones de motores térmicos-
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Eficiencia de un motor térmico
¿Qué eficiencia tienen los motores? Los motores de combustión son asombrosamente ineficientes. La mayoría de los motores diésel ni siquiera tienen una eficiencia térmica del 50%. De cada litro de gasóleo quemado por un motor de combustión, menos de la mitad de la energía generada se convierte en energía mecánica. Es decir, de la energía producida por el motor diesel de una camioneta, por ejemplo, menos de la mitad de la energía producida realmente empuja la camioneta por la carretera.
Aunque pueda parecer que un vehículo que sólo convierte en energía mecánica el 50% de la energía térmica que produce durante la combustión es extraordinariamente ineficiente, muchos vehículos que circulan por la carretera desperdician en realidad cerca del 80% de la energía producida durante la combustión del combustible. Los motores de gasolina a menudo expulsan más del 80% de la energía producida por el tubo de escape o pierden esa energía en el entorno del motor.
“Los motores de combustión interna producen trabajo mecánico (potencia) quemando combustible. Durante el proceso de combustión, el combustible se oxida (se quema). Este proceso termodinámico libera calor que se transforma en parte en energía mecánica”, según X-Engineer.org. Pero, gran parte de la energía producida se pierde. Una gran parte de la energía producida por un motor de combustión se desperdicia.
Fórmula de eficiencia de Carnot
Abrir en otra ventanaFig. 1Motor de kinesina caminando sobre un microtúbulo. Utilizando, por ejemplo, pinzas ópticas, podemos aplicar fuerza sobre el motor para medir la respuesta del mismo (Ariga et al. 2018). Tal medición de la respuesta nos permite estimar cantidades energéticas como el trabajo máximo del motor, que es la fuerza de estancamiento por el tamaño del pasoLa segunda ley de la termodinámica dice que el cambio total de energía libre de un ciclo de reacción isobárica isotérmica es negativo, es decir, -Δμ + W ≤ 0, lo que implica que la cantidad de trabajo W del motor al agente externo, por ejemplo, la trampa óptica, no puede superar Δμ. Por lo tanto, la eficiencia termodinámica ηth definida por
Var(Jτ)〈Jτ〉2≥2kBτσ.3Aquí, kB es la constante de Boltzmann. La corriente fluctuante Jτ=∑i<jd(i,j)Jτ(i,j) es una suma ponderada sobre los saltos entre los estados donde Jτ(i,j) es el número neto de transiciones del estado j al i durante el tiempo τ. d(i,j) es el cambio de la cantidad física de interés cuando el sistema salta del estado j al i. En particular, si d(i,j) es el cambio de la coordenada mecánica del motor Δx al saltar del estado j al i, la TUR, ecuación 3, puede escribirse como (Pietzonka et al. 2016)