El factor de eficiencia (eficiencia) es un término que puede aplicarse, quizás, a todos los sistemas y dispositivos. Incluso una persona tiene un factor de eficiencia, aunque probablemente todavía no exista una fórmula objetiva para encontrarlo. En este artículo explicaremos en detalle qué es la eficiencia y cómo se puede calcular para varios sistemas.
Definición de eficiencia
La eficiencia es un indicador que caracteriza la efectividad de un sistema en términos de producción o conversión de energía. La eficiencia es una cantidad inconmensurable y se representa como un valor numérico en el rango de 0 a 1 o como un porcentaje.
Formula general
La eficiencia se indica con el símbolo Ƞ.
La fórmula matemática general para encontrar la eficiencia se escribe de la siguiente manera:
Ƞ=A/Q, donde A es la energía/trabajo útil realizado por el sistema y Q es la energía consumida por este sistema para organizar el proceso de obtención de resultados útiles.
El factor de eficiencia, lamentablemente, siempre es menor o igual a la unidad, ya que, según la ley de conservación de la energía, no podemos obtener más trabajo que la energía gastada. Además, la eficiencia, de hecho, rara vez es igual a la unidad, ya que el trabajo útil siempre va acompañado de la presencia de pérdidas, por ejemplo, para calentar el mecanismo.
Eficiencia del motor térmico
Un motor térmico es un dispositivo que convierte la energía térmica en energía mecánica. En un motor térmico, el trabajo está determinado por la diferencia entre la cantidad de calor recibida del calentador y la cantidad de calor entregada al enfriador y, por lo tanto, la eficiencia está determinada por la fórmula:
- Ƞ=Qн-Qх/Qн, donde Qн es la cantidad de calor recibida del calentador y Qх es la cantidad de calor entregada al enfriador.
Se cree que la mayor eficiencia la proporcionan los motores que funcionan según el ciclo de Carnot. En este caso, la eficiencia está determinada por la fórmula:
- Ƞ=T1-T2/T1, donde T1 es la temperatura de la fuente termal, T2 es la temperatura de la fuente fría.
Eficiencia del motor eléctrico
Un motor eléctrico es un dispositivo que convierte energía eléctrica en energía mecánica, por lo que la eficiencia en este caso es el índice de eficiencia del dispositivo para convertir energía eléctrica en energía mecánica. La fórmula para encontrar la eficiencia de un motor eléctrico es la siguiente:
- Ƞ=P2/P1, donde P1 es la potencia eléctrica suministrada, P2 es la potencia mecánica útil generada por el motor.
La potencia eléctrica se encuentra como el producto de la corriente y el voltaje del sistema (P=UI), y la potencia mecánica como la relación de trabajo por unidad de tiempo (P=A/t).
Eficiencia del transformador
Un transformador es un dispositivo que convierte corriente alterna de un voltaje en corriente alterna de otro voltaje manteniendo la frecuencia. Además, los transformadores también pueden convertir corriente alterna en corriente continua.
La eficiencia del transformador se encuentra mediante la fórmula:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), donde P0 es la pérdida sin carga, PL es la pérdida con carga, P2 es la potencia activa suministrada a la carga, n es el grado relativo de carga.
¿Eficiencia o no eficiencia?
Vale la pena señalar que, además de la eficiencia, existen una serie de indicadores que caracterizan la eficiencia de los procesos energéticos y, en ocasiones, podemos encontrarnos con descripciones como: eficiencia del orden del 130%, sin embargo, en este caso debemos entender que el término no se utiliza del todo correctamente y, muy probablemente, el autor o el fabricante entienden que esta abreviatura significa una característica ligeramente diferente.
Por ejemplo, las bombas de calor se caracterizan por el hecho de que pueden liberar más calor del que consumen. Por lo tanto, una máquina de refrigeración puede eliminar más calor del objeto que se está enfriando del que se gastó en equivalente de energía para organizar la eliminación. El indicador de eficiencia de una máquina de refrigeración se llama coeficiente de refrigeración, denotado por la letra Ɛ y determinado por la fórmula: Ɛ=Qx/A, donde Qx es el calor eliminado del extremo frío, A es el trabajo invertido en el proceso de eliminación . Sin embargo, a veces el coeficiente de refrigeración también se denomina eficiencia de la máquina de refrigeración.
También es interesante que la eficiencia de las calderas que funcionan con combustible orgánico generalmente se calcula en función del poder calorífico más bajo y puede ser mayor que la unidad. Sin embargo, todavía se le llama tradicionalmente eficiencia. Es posible determinar la eficiencia de una caldera por el poder calorífico más alto, y entonces siempre será menor que uno, pero en este caso será inconveniente comparar el rendimiento de las calderas con datos de otras instalaciones.
El concepto de coeficiente de rendimiento (eficiencia) se puede aplicar a una amplia variedad de tipos de dispositivos y mecanismos, cuyo funcionamiento se basa en el uso de cualquier recurso. Entonces, si consideramos la energía utilizada para operar el sistema como un recurso de este tipo, entonces el resultado de esto debe considerarse la cantidad de trabajo útil realizado con esta energía.En general, la fórmula de eficiencia se puede escribir de la siguiente manera: n = A*100%/Q. En esta fórmula, el símbolo n se utiliza para indicar eficiencia, el símbolo A representa la cantidad de trabajo realizado y Q es la cantidad de energía gastada. Vale la pena enfatizar que la unidad de medida de la eficiencia es el porcentaje. Teóricamente, el valor máximo de este coeficiente es del 100%, pero en la práctica es casi imposible lograr tal indicador, ya que durante el funcionamiento de cada mecanismo existen ciertas pérdidas de energía.
Eficiencia del motor
El motor de combustión interna (ICE), que es uno de los componentes clave del mecanismo de un automóvil moderno, es también una variante de un sistema basado en el uso de un recurso: la gasolina o el diésel. Por lo tanto, se puede calcular el valor de eficiencia.
A pesar de todos los logros técnicos de la industria automovilística, la eficiencia estándar de los motores de combustión interna sigue siendo bastante baja: dependiendo de las tecnologías utilizadas en el diseño del motor, puede oscilar entre el 25% y el 60%. Esto se debe al hecho de que el funcionamiento de dicho motor conlleva importantes pérdidas de energía.
Así, la mayor pérdida de eficiencia del motor de combustión interna se produce en el funcionamiento del sistema de refrigeración, que consume hasta el 40% de la energía generada por el motor. Una parte importante de la energía (hasta un 25%) se pierde en el proceso de eliminación de los gases de escape, es decir, simplemente se transporta a la atmósfera. Finalmente, aproximadamente el 10% de la energía generada por el motor se gasta en superar la fricción entre las distintas partes del motor de combustión interna.
Por lo tanto, los tecnólogos e ingenieros involucrados en la industria automotriz están haciendo esfuerzos significativos para aumentar la eficiencia de los motores reduciendo las pérdidas en todos los elementos enumerados. Por tanto, la dirección principal de los desarrollos de diseño destinados a reducir las pérdidas relacionadas con el funcionamiento del sistema de refrigeración está asociada con los intentos de reducir el tamaño de las superficies a través de las cuales se produce la transferencia de calor. La reducción de las pérdidas en el proceso de intercambio de gases se lleva a cabo principalmente mediante un sistema de turbocompresor, y la reducción de las pérdidas asociadas con la fricción se realiza mediante el uso de materiales más modernos y tecnológicamente más avanzados en el diseño del motor. Según los expertos, el uso de estas y otras tecnologías puede aumentar la eficiencia de los motores de combustión interna hasta el 80% o más.
El principal significado de la fórmula (5.12.2) obtenida por Carnot para la eficiencia de una máquina ideal es que determina la máxima eficiencia posible de cualquier máquina térmica.
Carnot demostró, basándose en la segunda ley de la termodinámica*, el siguiente teorema: cualquier motor térmico real que funcione con un calentador de temperaturat 1 y temperatura del refrigeradort 2 , no puede tener una eficiencia que supere la eficiencia de un motor térmico ideal.
* De hecho, Carnot estableció la segunda ley de la termodinámica antes que Clausius y Kelvin, cuando la primera ley de la termodinámica aún no se había formulado estrictamente.
Consideremos primero una máquina térmica que funciona en un ciclo reversible con gas real. El ciclo puede ser cualquier cosa, sólo es importante que las temperaturas del calentador y del refrigerador sean t 1 Y t 2 .
Supongamos que la eficiencia de otra máquina térmica (que no funciona según el ciclo de Carnot) η ’ > η . Las máquinas funcionan con un calentador común y un refrigerador común. Deje que la máquina de Carnot funcione en un ciclo inverso (como una máquina de refrigeración) y deje que la otra máquina funcione en un ciclo directo (figura 5.18). La máquina térmica realiza un trabajo igual a, según las fórmulas (5.12.3) y (5.12.5):
Una máquina de refrigeración siempre se puede diseñar de manera que absorba la cantidad de calor del refrigerador. q 2
= |
|
Luego, según la fórmula (5.12.7), se trabajará en él.
(5.12.12)
Dado que por condición η" > η , Eso A" > A. Por lo tanto, un motor térmico puede impulsar una máquina de refrigeración y todavía quedará un exceso de trabajo. Este exceso de trabajo se realiza mediante calor tomado de una fuente. Después de todo, el calor no se transfiere al frigorífico cuando dos máquinas funcionan a la vez. Pero esto contradice la segunda ley de la termodinámica.
Si suponemos que η > η ", entonces puedes hacer que otra máquina funcione en un ciclo inverso y una máquina de Carnot en un ciclo directo. Nuevamente llegaremos a una contradicción con la segunda ley de la termodinámica. En consecuencia, dos máquinas que operan en ciclos reversibles tienen la misma eficiencia: η " = η .
Es diferente si la segunda máquina funciona en un ciclo irreversible. Si asumimos η "
>
η ,
entonces volveremos a entrar en contradicción con la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, el supuesto t|"< г| не противоречит второму закону
термодинамики, так как необратимая
тепловая машина не может работать как
холодильная машина. Следовательно, КПД
любой тепловой машины η"
≤ η, o 
Este es el resultado principal:
(5.12.13)
Eficiencia de motores térmicos reales.
La fórmula (5.12.13) da el límite teórico para el valor máximo de eficiencia de los motores térmicos. Muestra que cuanto mayor es la temperatura del calentador y menor es la temperatura del refrigerador, más eficiente es un motor térmico. Sólo a una temperatura del refrigerador igual al cero absoluto η = 1.
Pero la temperatura del frigorífico prácticamente no puede ser mucho más baja que la temperatura ambiente. Puede aumentar la temperatura del calentador. Sin embargo, cualquier material (cuerpo sólido) tiene una resistencia al calor o resistencia al calor limitada. Cuando se calienta, pierde gradualmente sus propiedades elásticas y, a una temperatura suficientemente alta, se funde.
Ahora los principales esfuerzos de los ingenieros están dirigidos a aumentar la eficiencia de los motores reduciendo la fricción de sus piezas, las pérdidas de combustible por combustión incompleta, etc. Las oportunidades reales para aumentar la eficiencia siguen siendo grandes. Entonces, para una turbina de vapor, las temperaturas inicial y final del vapor son aproximadamente las siguientes: t 1 = 800K y t 2 = 300 K. A estas temperaturas, el valor máximo de eficiencia es:
El valor real de eficiencia debido a varios tipos de pérdidas de energía es aproximadamente del 40%. La eficiencia máxima, alrededor del 44%, se logra con los motores de combustión interna.
La eficiencia de cualquier motor térmico no puede exceder el valor máximo posible. 
,
donde T 1
-
temperatura absoluta del calentador, y T 2
-
Temperatura absoluta del frigorífico.
Incrementar la eficiencia de los motores térmicos y acercarla al máximo posible- el desafío técnico más importante.
La física es una ciencia que estudia los procesos que ocurren en la naturaleza. Esta ciencia es muy interesante y curiosa, porque cada uno de nosotros quiere satisfacerse mentalmente adquiriendo conocimiento y comprensión de cómo y qué funciona en nuestro mundo. La física, cuyas leyes han sido deducidas a lo largo de siglos y por decenas de científicos, nos ayuda en esta tarea, y sólo debemos alegrarnos y absorber el conocimiento que nos proporciona.
Pero al mismo tiempo, la física no es una ciencia simple, como, de hecho, la naturaleza misma, pero sería muy interesante entenderla. Hoy hablaremos de eficiencia. Aprenderemos qué es la eficiencia y por qué es necesaria. Miremos todo de forma clara e interesante.
Explicación de la abreviatura - eficiencia. Sin embargo, incluso esta interpretación puede no resultar muy clara la primera vez. Este coeficiente caracteriza la eficiencia de un sistema o de cualquier organismo individual y, más a menudo, de un mecanismo. La eficiencia se caracteriza por la producción o conversión de energía.
Este coeficiente se aplica a casi todo lo que nos rodea, e incluso a nosotros mismos, y en mayor medida. Después de todo, hacemos un trabajo útil todo el tiempo, pero con qué frecuencia y qué tan importante es es otra cuestión, y junto con ella se utiliza el término “eficiencia”.
Es importante considerar que este coeficiente es un valor ilimitado, normalmente representa valores matemáticos, por ejemplo, 0 y 1, o, como suele ser el caso, como un porcentaje.
En física, este coeficiente se denota con la letra Ƞ o, como comúnmente se le llama, Eta.
Trabajo útil
Al utilizar cualquier mecanismo o dispositivo, necesariamente realizamos un trabajo. Como regla general, siempre es mayor de lo que necesitamos para completar la tarea. Con base en estos hechos, se distinguen dos tipos de trabajo: gastado, que se denota con una letra mayúscula, A con una z minúscula (Az), y útil - A con la letra p (An). Por ejemplo, tomemos este caso: tenemos la tarea de levantar un adoquín con una determinada masa a una determinada altura. En este caso, el trabajo se caracteriza únicamente por superar la fuerza de gravedad, que, a su vez, actúa sobre la carga.
En el caso de que se utilice para levantar cualquier dispositivo que no sea la gravedad del adoquín, también es importante tener en cuenta gravedad de las partes de este dispositivo. Y además de todo esto, es importante recordar que si bien ganamos en fuerza, siempre perderemos en el camino. Todos estos hechos llevan a la conclusión de que el trabajo realizado en cualquier caso será más útil, Az > An, la pregunta es cuánto más, porque se puede reducir esta diferencia tanto como sea posible y así aumentar la eficiencia, la nuestra o nuestro dispositivo.
El trabajo útil es la porción del trabajo realizado que realizamos utilizando un mecanismo. Y la eficiencia es precisamente la magnitud física que muestra qué parte del trabajo útil corresponde al trabajo total gastado.
Resultado:
- El trabajo gastado Az es siempre mayor que el trabajo útil Ap.
- Cuanto mayor sea la relación entre lo útil y lo gastado, mayor será el coeficiente y viceversa.
- Ap se encuentra multiplicando la masa por la aceleración de la gravedad y la altura de ascenso.
Existe una fórmula determinada para encontrar la eficiencia. Dice así: para encontrar la eficiencia en física, es necesario dividir la cantidad de energía por el trabajo realizado por el sistema. Es decir, la eficiencia es la relación entre la energía gastada y el trabajo realizado. De esto podemos sacar una conclusión simple: cuanto mejor y más eficiente sea un sistema o cuerpo, menos energía se gastará en realizar el trabajo.
La fórmula en sí parece breve y muy simple: será igual a A/Q. Es decir, Ƞ = A/Q. Esta breve fórmula captura los elementos que necesitamos para el cálculo. Es decir, A en este caso es la energía usada que consume el sistema durante el funcionamiento, y la letra mayúscula Q, a su vez, será la A gastada, o nuevamente la energía gastada.
Idealmente, la eficiencia es igual a la unidad.. Pero, como suele ocurrir, él es más pequeño que ella. Esto sucede gracias a la física y, por supuesto, a la ley de conservación de la energía.
El caso es que la ley de conservación de la energía sugiere que no se puede obtener más A que la energía recibida. E incluso este coeficiente será igual a uno en muy raras ocasiones, ya que siempre se desperdicia energía. Y el trabajo va acompañado de pérdidas: por ejemplo, en un motor, la pérdida radica en su calentamiento excesivo.
Entonces, la fórmula de eficiencia:
Ƞ=A/Q, Dónde
- A es el trabajo útil que realiza el sistema.
- Q es la energía consumida por el sistema.
Aplicación en diversos campos de la física.
Cabe destacar que la eficiencia no existe como concepto neutral, cada proceso tiene su propia eficiencia, no es una fuerza de fricción, no puede existir por sí solo.
Veamos algunos ejemplos de procesos con eficiencia.
P.ej, tomemos un motor eléctrico. La función de un motor eléctrico es convertir la energía eléctrica en energía mecánica. En este caso, el coeficiente será la eficiencia del motor en términos de convertir energía eléctrica en energía mecánica. También hay una fórmula para este caso y se ve así: Ƞ=P2/P1. Aquí P1 es la potencia en la versión general y P2 es la potencia útil que produce el propio motor.
No es difícil adivinar que la estructura de la fórmula de coeficientes siempre se conserva; solo cambian los datos que deben sustituirse en ella. Dependen del caso concreto, si es un motor, como en el caso anterior, entonces hay que operar con la potencia gastada, si es un trabajo, entonces la fórmula inicial será diferente.
Ahora conocemos la definición de eficiencia. y tenemos una idea sobre este concepto físico, así como sobre sus elementos y matices individuales. La física es una de las ciencias más importantes, pero se puede dividir en pequeños fragmentos para comprenderla. Hoy examinamos una de estas piezas.
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El coeficiente de eficiencia (eficiencia) es un valor que expresa, como porcentaje, la eficiencia de un mecanismo particular (motor, sistema) para convertir la energía recibida en trabajo útil.
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¿Por qué la eficiencia del diésel es mayor?
El indicador de eficiencia de diferentes motores puede variar mucho y depende de varios factores. tienen una eficiencia relativamente baja debido a la gran cantidad de pérdidas mecánicas y térmicas que surgen durante el funcionamiento de una unidad de potencia de este tipo.
El segundo factor es la fricción que se produce durante la interacción de las piezas acopladas. La mayor parte del consumo de energía útil es impulsado por el movimiento de los pistones del motor, así como por la rotación de las piezas dentro del motor, que están estructuralmente fijadas a cojinetes. Aproximadamente el 60% de la energía de combustión de la gasolina se gasta únicamente en garantizar el funcionamiento de estas unidades.
Las pérdidas adicionales son causadas por el funcionamiento de otros mecanismos, sistemas y accesorios. También se tiene en cuenta el porcentaje de pérdidas de resistencia en el momento de la admisión de la siguiente carga de combustible y aire, y luego la liberación de gases de escape del cilindro del motor de combustión interna.
Si comparamos una unidad diésel y un motor de gasolina, un motor diésel tiene una eficiencia notablemente mayor en comparación con una unidad de gasolina. Las unidades de energía de gasolina tienen una eficiencia de aproximadamente el 25-30% de la cantidad total de energía recibida.
En otras palabras, de 10 litros de gasolina gastados en el funcionamiento del motor, solo 3 litros se utilizan para realizar trabajos útiles. El resto de la energía procedente de la combustión del combustible se perdió.
A la misma cilindrada, la potencia de un motor de gasolina atmosférico es mayor, pero se consigue a mayores velocidades. Es necesario "girar" el motor, aumentan las pérdidas, aumenta el consumo de combustible. También es necesario mencionar el torque, que literalmente significa la fuerza que se transmite desde el motor a las ruedas y mueve el auto. Los motores de combustión interna de gasolina alcanzan el par máximo a velocidades más altas.
Un motor diésel de aspiración natural similar alcanza el par máximo a bajas velocidades, mientras utiliza menos combustible diésel para realizar un trabajo útil, lo que significa mayor eficiencia y economía de combustible.
El combustible diésel genera más calor en comparación con la gasolina, la temperatura de combustión del combustible diésel es mayor y la resistencia a la detonación es mayor. Resulta que un motor diésel de combustión interna produce un trabajo más útil con una determinada cantidad de combustible.
Valor energético del combustible diésel y la gasolina.
El combustible diésel se compone de hidrocarburos más pesados que la gasolina. La menor eficiencia de una unidad de gasolina frente a un motor diésel también radica en el componente energético de la gasolina y en las características de su combustión. La combustión completa de cantidades iguales de combustible diésel y gasolina producirá más calor en el primer caso. El calor en un motor diésel de combustión interna se convierte más completamente en energía mecánica útil. Resulta que al quemar la misma cantidad de combustible por unidad de tiempo, el diésel realizará más trabajo.
También vale la pena tener en cuenta las características de la inyección y la creación de las condiciones adecuadas para una combustión completa de la mezcla. En un motor diésel, el combustible se suministra por separado del aire; no se inyecta en el colector de admisión, sino directamente en el cilindro al final de la carrera de compresión. El resultado es una temperatura más alta y la combustión más completa de una parte de la mezcla de aire y combustible de trabajo.
Resultados
Los diseñadores se esfuerzan constantemente por mejorar la eficiencia de los motores diésel y de gasolina. Aumentar significativamente la eficiencia puede aumentar significativamente el número de válvulas de admisión y escape por cilindro, el uso activo, el control electrónico de la inyección de combustible, la válvula de mariposa y otras soluciones. Esto se aplica en mayor medida al motor diésel.
Gracias a estas características, un motor diésel moderno es capaz de quemar completamente una parte del combustible diésel saturado con hidrocarburos en el cilindro y producir un par elevado a bajas velocidades. Bajas revoluciones significan menos pérdida por fricción y menor resistencia resultante. Por esta razón, el motor diésel es hoy uno de los tipos de motores de combustión interna más productivos y económicos, cuya eficiencia suele superar el 50%.
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