3.2: Eficiencia de los dispositivos de conversión de energía
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La eficiencia es la salida útil de energía y se calcula utilizando
\[ Efficiency = \dfrac{Useful \, Energy \, Output}{Total \, Energy \, Output} \]
Ejemplo 1
Un motor eléctrico consume 100 vatios (un julio por segundo (J/s) de potencia para obtener 90 vatios de potencia mecánica. Determinar su eficiencia.
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La entrada al motor eléctrico es en forma de energía eléctrica y la salida es energía mecánica.
Usando la ecuación 3.2.1,
\[ Efficiency = \dfrac{Mechanical \, Power}{Electrical \, Power} = \dfrac{90 \, W}{100 \, W} = 0.9 \nonumber\]
Por lo tanto, la eficiencia es del 90%.
Precaución: si las dos variables se midieron de manera diferente, necesitaría convertirlas a formas equivalentes antes de realizar el cálculo.
Para una práctica extra similar al Ejemplo 1, usa este enlace para generar problemas de práctica aleatoria.
Ejemplo 2
Las centrales eléctricas de Estados Unidos consumieron 39.5 cuatrillones de Btus de energía y produjeron 3.675 billones de kWh de electricidad. ¿Cuál es la eficiencia promedio de las centrales eléctricas en Estados Unidos?
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Supongamos que la entrada de energía total es igual a la salida de energía total.
\[ Total \, Energy \, Input = 39.5 * 10^15 \, BTUs \nonumber\]
\[ Useful \, Energy \, Output = 3.675 * 10^12 \, kWh \nonumber\]
Se nos da que 1 kWh = 3412 BTU. Por lo tanto, para convertir todas las unidades a BTU,
\[ Useful \, Energy \, Output = 3.675 * 10^12 \, kWh * \dfrac{3412 \, BTUs}{kWh} = 1.254 * 10^16 \, BTUs \nonumber\]
Luego, usa la ecuación 3.2.1 para obtener
\ [Eficiencia =\ dfrac {1.254 * 10^16\, BTU} {39.5 * 10^15\, BTU} = 0.3174
Por lo tanto, las centrales eléctricas tienen una eficiencia promedio de 31.74%.
Para una práctica extra similar al Ejemplo 2, usa este enlace para generar problemas de práctica aleatoria.
Eficiencia Energética
Las eficiencias energéticas no son del 100% y a veces son bastante bajas. El Cuadro 3.2.1 muestra las eficiencias típicas de algunos de los dispositivos que se utilizan en la vida cotidiana.
Cuadro 3.2.1. Eficiencias típicas de los dispositivos del día a día
| Dispositivo | Eficiencia |
|---|---|
| Motor eléctrico | 90% |
| Inicio horno de gas | 95% |
| Inicio horno de aceite | 80% |
| Inicio estufa de carbón | 75% |
| Caldera de vapor en planta de energía | 90% |
| Planta de energía general | 36% |
| Motor de automóvil | 25% |
| Bombilla eléctrica (incandescente) | 5% |
| Bombilla eléctrica (fluorescente) | 20% |
De nuestra discusión sobre los patrones de uso de energía nacionales y globales en el Capítulo 2, hemos visto que
- Alrededor del 40% de la energía estadounidense se utiliza en la generación de energía
- Alrededor del 27% de la energía estadounidense se utiliza para el transporte
Sin embargo, la eficiencia energética de una planta de energía es de aproximadamente 35%, y la eficiencia de los automóviles es de aproximadamente 25%. Así, más del 62% de la energía primaria total en Estados Unidos se utiliza en procesos de conversión relativamente ineficientes.
¿Por qué los ingenieros de diseño de plantas de energía y automóviles lo permiten? ¿Pueden hacerlo mejor?
Resulta que existen algunas limitaciones naturales a la hora de convertir la energía del calor al trabajo.