En la termodinmica, la eficiencia trmica es una medida adimensional rendimiento de un dispositivo que utiliza energa trmica, tal como un motor de combustin interna, una turbina de vapor o un motor de vapor, una caldera, un horno, o un refrigerador, por ejemplo.En general, la eficiencia de conversin de energa es la relacin entre la potencia til de un dispositivo y la entrada, en trminos de energa. Para la eficiencia trmica, la entrada,, al dispositivo es el calor, o el contenido de calor de un combustible que se consume. La salida deseada es el trabajo mecnico, o el calor, o posiblemente ambos. Debido a que el calor de entrada normalmente tiene un verdadero coste econmico, una definicin genrica memorable de la eficiencia trmica esDesde la primera ley de la termodinmica, la produccin de energa no puede exceder de la entrada, por lo queCuando se expresa como un porcentaje, la eficiencia trmica debe estar entre 0% y 100%. Debido a las ineficiencias tales como la friccin, la prdida de calor, y otros factores, la eficiencia de los motores trmicos 'son tpicamente mucho menos de 100%. Por ejemplo, un motor de gasolina de automvil tpico opera a alrededor de 25% de eficiencia, y un gran carbn-alimentado elctrica generacin de picos de plantas en alrededor de 46%. El motor diesel ms grande de las cumbres mundiales en el 51,7%. En una planta de ciclo combinado, las eficiencias trmicas se acercan al 60%. Tal un valor en el mundo real puede ser utilizado como una figura de mrito para el dispositivo.Para los motores que se quema un combustible que hay dos tipos de eficiencia: la eficiencia trmica trmica indicada y la eficiencia trmica del freno. Esta eficacia slo es apropiado cuando se comparan los tipos similares o dispositivos similares.Para otros sistemas de los detalles de los clculos de eficiencia varan, pero la entrada no dimensional sigue siendo la misma. Eficiencia energtica = energa de entrada/salidaMotores trmicosMotores trmicos transforman la energa trmica, o calor, Qin en energa mecnica, o en el trabajo, Wout. Ellos no pueden hacer esta tarea perfectamente, por lo que parte de la energa trmica de entrada no se convierte en el trabajo, pero se disipa en forma de calor Qout residuos en el medio ambienteLa eficiencia trmica de un motor trmico es el porcentaje de la energa trmica que se transforma en trabajo. La eficiencia trmica se define comoLa eficacia de incluso los mejores motores de calor es baja, por lo general por debajo del 50% y, a menudo muy por debajo. As que la energa que se pierde en el medio ambiente por los motores de calor es un importante desperdicio de recursos energticos, a pesar de cogeneracin moderna, ciclos combinados y sistemas de reciclado de energa estn comenzando a utilizar este calor para otros fines. Dado que una gran fraccin de los combustibles producidos en todo el mundo ir a accionan los motores de calor, tal vez hasta la mitad de la energa til producida en todo el mundo se desperdicia en la ineficiencia del motor. Esta ineficiencia se puede atribuir a tres causas. Hay un lmite terico en general a la eficiencia de cualquier motor de calor debido a la temperatura, llamado la eficiencia de Carnot. En segundo lugar, los tipos especficos de motores tienen lmites ms bajos en su eficiencia debido a la irreversibilidad intrnseca del ciclo del motor que utilizan. En tercer lugar, el comportamiento no ideal de los motores reales, como la friccin mecnica y las prdidas en el proceso de combustin provoca ms prdidas de eficiencia.Eficiencia de CarnotLa segunda ley de la termodinmica pone un lmite fundamental en la eficiencia trmica de todos los motores trmicos. Incluso un motor ideal, sin friccin no se puede convertir en cualquier lugar cerca del 100% de su calor de entrada al trabajo. Los factores limitantes son la temperatura a la que el calor entra en el motor, y la temperatura del medio ambiente en el que el motor agota su calor residual,, medidos en una escala absoluta, tales como la escala Kelvin o Rankine. Desde el teorema de Carnot, para cualquier motor de trabajo entre estas dos temperaturas:Este valor lmite se llama la eficiencia del ciclo de Carnot, ya que es la eficiencia de un ciclo de inalcanzable, ideal, reversible motor llamado el ciclo de Carnot. No hay dispositivo de conversin de calor en energa mecnica, con independencia de su construccin, puede superar esta eficiencia.Ejemplos de son la temperatura del vapor caliente que entra en la turbina de una planta de energa de vapor, o la temperatura a la que el combustible se quema en un motor de combustin interna. es por lo general la temperatura ambiente donde se encuentra el motor, o la temperatura de un lago o ro que el calor residual se descarga en. Por ejemplo, si un motor de automvil de gasolina se quema a una temperatura de la temperatura ambiente y es, a continuacin, su mxima eficiencia posible es:Se puede observar que, dado que est fijado por el medio ambiente, la nica manera para que un diseador para aumentar la eficiencia de Carnot de un motor es aumentar, la temperatura a la que se aade el calor para el motor. La eficiencia de los motores ordinarios de calor tambin aumenta generalmente con la temperatura de funcionamiento, y los materiales estructurales avanzados que permiten a los motores para operar a temperaturas ms altas es un rea activa de investigacin.Debido a las otras causas se detallan a continuacin, los motores de prcticas tienen una eficiencia muy por debajo del lmite de Carnot. Por ejemplo, el motor del automvil promedio es de menos de 35% de eficiencia.El teorema de Carnot slo se aplica a los motores de calor, donde se quema combustible. Los dispositivos que convierten la energa del combustible directamente en el trabajo sin quemarla, como las pilas de combustible, pueden exceder el rendimiento de Carnot.La eficiencia del ciclo de motorEl ciclo de Carnot es reversible y por lo tanto representa el lmite superior en la eficiencia de un ciclo de motor. Ciclos del motor prcticas son irreversibles y por lo tanto tienen la eficiencia inherentemente inferior a la eficiencia de Carnot cuando se opera entre las mismas temperaturas y. Uno de los factores que determinan la eficiencia es cmo se aade calor al fluido de trabajo en el ciclo, y la forma en que se elimina. El ciclo de Carnot alcanza la mxima eficiencia, porque todo el calor se aade al fluido de trabajo a la temperatura mxima, y se retira a la temperatura mnima. Por el contrario, en un motor de combustin interna, la temperatura de la mezcla de combustible-aire en el cilindro est en ninguna parte cerca de su temperatura pico como el combustible comienza a quemar, y slo alcanza la temperatura mxima medida que se consume todo el combustible, por lo que la temperatura media en la que el calor se aade es menor, lo que reduce la eficiencia.Un parmetro importante en la eficiencia de los motores de combustin es la relacin de calor especfico de la mezcla de aire-combustible,?. Esto vara un poco con el combustible, pero generalmente est cerca del valor de aire de 1,4 - Este valor estndar se utiliza por lo general en las ecuaciones de motor de ciclo por debajo, y cuando se hace esta aproximacin, el ciclo se denomina un ciclo de aire estndar. Ciclo Otto: coches El ciclo Otto es el nombre para el ciclo utilizado en motores de encendido por chispa de combustin interna, tales como la gasolina y el hidrgeno alimentado motores de automviles. Su eficiencia terica depende de la relacin de compresin r del motor y la relacin de calor especfico? del gas en la cmara de combustin.Por lo tanto, la eficiencia aumenta con la relacin de compresin. Sin embargo, la relacin de compresin de los motores de ciclo Otto est limitada por la necesidad de evitar que la combustin no controlada conocida como golpeando. Los motores modernos tienen relaciones de compresin en el rango de 8 a 11, lo que resulta en eficiencias de ciclo ideal de 56% a 61%. Ciclo Diesel: camiones y trenes en el ciclo Diesel utilizados en camiones diesel y motores de los trenes, el combustible es encendido por compresin en el cilindro. La eficiencia del ciclo Diesel es dependiente de r y? como el ciclo de Otto, y tambin por la relacin de corte, RC, que es la relacin del volumen del cilindro al comienzo y al final del proceso de combustin:El ciclo Diesel es menos eficiente que el ciclo de Otto cuando se utiliza la misma relacin de compresin. Sin embargo, los motores diesel son prcticos 30% - 35% ms eficiente que los motores de gasolina. Esto se debe a que, ya que el combustible no es introducido en la cmara de combustin hasta que se requiere para la ignicin, la relacin de compresin no est limitado por la necesidad de evitar que se golpeen, por lo que se utilizan relaciones ms altas que en los motores de encendido por chispa. Ciclo de Rankine: las centrales de vapor El ciclo Rankine es el ciclo utilizado en las centrales elctricas de turbinas de vapor. La gran mayora de la energa elctrica en el mundo se produce con este ciclo. Como fluido de trabajo del ciclo, el agua, los cambios de lquido a vapor y la espalda durante el ciclo, su eficacia depende de las propiedades termodinmicas del agua. La eficiencia trmica de las modernas plantas de turbinas de vapor con ciclos de recalentamiento puede llegar a 47%, y en centrales de ciclo combinado, en el que una turbina de vapor es alimentado por el calor de escape de una turbina de gas, que puede aproximarse a 60%. Ciclo Brayton: turbinas de gas y motores de jet El ciclo Brayton es el ciclo utilizado en turbinas de gas y motores de aviones. Se compone de un compresor que aumenta la presin del aire de entrada, a continuacin, el combustible se aade continuamente al flujo y se quema, y los gases de escape calientes se expanden en una turbina. La eficiencia depende en gran medida de la relacin de la presin dentro de la cmara de combustin p2 a la presin fuera de p1Otras deficienciasLas frmulas de eficiencia anteriores se basan en modelos matemticos simples idealizadas de motores, sin friccin y fluidos de trabajo que obedecen a las reglas termodinmicas simples llamados la ley de los gases ideales. Motores reales tienen muchas desviaciones del comportamiento ideal que la energa de residuos, la reduccin de la eficiencia reales muy por debajo de los valores tericos dados anteriormente. Ejemplos son: la friccin de las piezas mviles combustin ineficiente prdida de calor de la cmara de combustin salida del fluido de trabajo de las propiedades termodinmicas de un gas ideal resistencia aerodinmica de aire que se mueve a travs del motor energa utilizada por los equipos auxiliares, como bombas de aceite y agua compresores y turbinas ineficientes sincronizacin de la vlvula imperfectaOtra fuente de ineficiencia es que los motores deben ser optimizados para otros objetivos, adems de la eficiencia, como la baja contaminacin. Los requisitos para los motores de vehculos son especialmente estrictas: deben ser diseados para bajas emisiones, la aceleracin adecuada, empezando rpido, ligero, de poco ruido, etc Estos requieren compromisos en el diseo que reducen la eficiencia. La media del motor del automvil es slo alrededor de 35% de eficiencia, y tambin se mantendr al ralent en los semforos, perder un 17% adicional de la energa, lo que resulta en una eficiencia global de 18%. Plantas generadoras elctricas estacionarias grandes tienen menos de estos requisitos de competencia, as como los ciclos de Rankine ms eficientes, por lo que son mucho ms eficientes que los motores de los vehculos, en torno al 50% Por lo tanto, la sustitucin de vehculos de combustin interna con vehculos elctricos, que funcionan con una batera que se carga con la electricidad generada por la quema de combustible en una planta de energa, tiene el potencial terico para aumentar la eficiencia trmica del uso de energa en el transporte, disminuyendo de este modo la demanda de combustibles fsiles.Al comparar los diferentes motores de calor como fuentes de energa, tales como energa elctrica o la energa para hacer funcionar los vehculos, la eficiencia del motor solo es slo un factor. Para dar una comparacin significativa, se debe considerar la eficiencia global de toda la cadena de suministro de energa desde la fuente de combustible para el consumidor. Aunque el calor perdido por los motores de calor es por lo general la mayor fuente de ineficiencia, factores tales como el coste de energa de refinacin de combustible y el transporte, y la prdida de energa en lneas de transmisin elctrica para el transporte, que pueden compensar la ventaja de un motor de calor ms eficiente.Conversin de energaPara un dispositivo que convierte la energa de otra forma en energa trmica, la eficiencia trmica esdonde las cantidades son valores calor equivalentes.Por lo tanto, para una caldera que produce una salida de 210 kW para cada entrada de calor 300 kW-equivalente, su eficiencia trmica es 210/300 = 0.70, o 70%. Esto significa que el 30% de la energa se pierde en el ambiente.Un calentador de resistencia elctrica tiene una eficiencia trmica cerca de 100%. Al comparar las unidades de calefaccin, tales como un calentador de resistencia elctrica altamente eficiente a un 80% de eficiencia horno a gas natural, se necesita un anlisis econmico para determinar la opcin ms rentable.Efectos del valor calorfico del combustibleEl valor calorfico de un combustible es la cantidad de calor que se libera durante una reaccin exotrmica y es una caracterstica de cada sustancia. Se mide en unidades de energa por unidad de la sustancia, por lo general medios, tales como: kJ/kg, J/mol.El valor calorfico de los combustibles se expresa como el HHV, LHV, o GHV para distinguir el tratamiento de calor de los cambios de fase: Valor de calentamiento superior se determinar poniendo todos los productos de la combustin de nuevo a la temperatura de pre-combustin original, y, en particular, cualquier condensacin de vapor producido. Este es el mismo que el calor termodinmico de la combustin. Calorfico inferior se determina restando el calor de vaporizacin del vapor de agua desde el valor ms alto de calentamiento. La energa necesaria para vaporizar el agua por lo tanto no se realiza en forma de calor. Valor calorfico bruto representa el agua en el escape que salga en forma de vapor, e incluye agua lquida en el combustible antes de la combustin. Este valor es importante para combustibles como la madera o el carbn, que normalmente contiene una cierta cantidad de agua antes de la grabacin.Qu definicin del valor de calentamiento se est utilizando afecta significativamente la eficiencia de cualquier cita. No declarar si una eficiencia es HHV o PCI hace que estos nmeros muy engaoso.Las bombas de calor y refrigeradoresLas bombas de calor, refrigeradores y acondicionadores de aire utilizan el trabajo para mover el calor de un fro a un lugar clido, por lo que su funcin es lo contrario de un motor trmico. La energa de trabajo que se aplica a ellos se convierte en calor, y la suma de esta energa y la energa trmica que se mueve desde el depsito fro es igual a la energa total de calor aadido al depsito calienteSu eficacia se mide por un coeficiente de rendimiento. Las bombas de calor se miden por la eficiencia con la que aaden calor al depsito caliente, COPheating; refrigeradores y acondicionadores de aire por la eficiencia con la que eliminar el calor desde el interior fro, COPcooling:La razn para no usar el trmino "eficiencia" es que el coeficiente de rendimiento de frecuencia puede ser mayor que 100%. Dado que estos dispositivos se estn moviendo de calor, no se crea, la cantidad de calor que se mueven puede ser mayor que el trabajo de entrada. Por lo tanto, las bombas de calor pueden ser una forma ms eficiente de calefaccin que simplemente convertir el trabajo de entrada en calor, como en un calentador elctrico o un horno.Puesto que son los motores de calor, estos dispositivos tambin estn limitados por el teorema de Carnot. El valor lmite de Carnot "eficiencia" de estos procesos, la igualdad tericamente alcanzable slo con un ciclo de 'reversible' ideal, es la siguiente:El mismo dispositivo que se utiliza entre las mismas temperaturas es ms eficiente cuando se considera como una bomba de calor que cuando se considera como un refrigerador:Esto se debe a que cuando se calienta, el trabajo se utiliza para ejecutar el dispositivo se convierte en calor y se suma al efecto deseado, mientras que si el efecto deseado se est enfriando el calor resultante del trabajo de entrada es slo un subproducto no deseado.Eficiencia energticaLa "eficiencia trmica" se llama a veces la eficiencia energtica. En los Estados Unidos, en el uso cotidiano de la SEER es la medida ms comn de la eficiencia energtica de los dispositivos de refrigeracin, as como para las bombas de calor cuando estn en su modo de calefaccin. Para los dispositivos de calentamiento de conversin de energa de su eficiencia trmica en estado estacionario mxima se afirma a menudo, por ejemplo, "este horno es 90% eficiente", sino una medida ms detallada de la eficacia energtica estacional es la eficiencia en la utilizacin anual de combustible.Eficiencia energtica de los intercambiadores de calorUn intercambiador de calor de flujo a contracorriente es generalmente 100% de eficiencia en la transferencia de energa de calor de un circuito a la otra, aunque a una ligera prdida en la temperatura. Sin embargo, para obtener una imagen ms completa de la eficacia de los intercambiadores de calor, exergticos consideraciones deben ser tenidas en cuenta.