Eficiencia

Imagina que hoy tienes que hacer un proyecto de física. Quizá el proyecto sea un poco difícil, pero entiendes bien el tema y únicamente empleas un par de horas en completarlo. A la mañana siguiente, le preguntas a tu compañero y te dice que estuvo haciendo el proyecto durante cinco horas. Tu profesor de física te escucha y te dice que has sido más eficiente que tu compañero, ya que has necesitado menos recursos que él para conseguir el mismo resultado.

Esta es la forma en que solemos utilizar el término eficiencia, pero hay una definición algo más técnica que se utiliza en física. ¡Veamos cuál es!

¿Qué es la eficiencia?

Antes de avanzar, recordemos que:

Podemos distinguir entre diferentes tipos de energía: la energía mecánica (relacionada con el movimiento), la energía térmica (relacionada con la temperatura), la energía sonora, la energía cinética, la energía eléctrica, etc.

Fig. 1: La clasificación de eficiencia de un electrodoméstico puede ser una forma útil y rápida de juzgar su eficiencia con precisión.

Para entender el concepto de eficiencia es importante tener en cuenta la ley de conservación de la energía. Esta ley establece que la energía no se crea ni se destruye; en cambio, se transfiere de una de sus formas a otra de diferentes maneras. Como vimos, cuando hablamos de eficiencia, nos referimos a la relación entre la energía introducida en el sistema y la energía útil obtenida del mismo, que siempre será menor que la energía total introducida. Esta diferencia es la razón por la que tenemos una pérdida de energía. Pero, como dice la ley de la conservación de la energía, esa energía no se destruye, sino que se transforma en otros tipos de energía. Por ejemplo, en la térmica, aumentando la temperatura del sistema; o la sonora, produciendo un sonido que podemos oír cuando una máquina está en funcionamiento.

Fig. 2: Los coches de competición intentan ser lo más eficientes posible, porque es una característica importante para que sean competitivos.

Fórmula y símbolo de la eficiencia energética

Ahora ya entendemos qué es la eficiencia en física. Pero necesitamos una forma para calcularla, ¿verdad? Generalmente, podemos expresar la eficiencia como:

\[\text{Eficiencia}=\frac{E_\text{salida}}{E_\text{entrada}}\]

La eficiencia también se puede representar con el símbolo \(\mu\).

Es fácil ver que la eficiencia no tiene unidades, ya que es el cociente de dos variables con las mismas unidades. Esta eficiencia tiene que ser, como máximo, igual a uno y siempre mayor o igual a cero. En un proceso no ideal, siempre es inferior a uno. Si queremos expresar esta eficiencia en porcentaje, simplemente la multiplicamos por 100:

\[\mu_{\%}=\frac{E_\text{salida}}{E_\text{entrada}}\cdot 100\]

También podemos expresar el rendimiento en términos de la potencia total de entrada y la potencia útil de salida, que es la tasa de cambio de la transferencia de energía, y puede expresarse como:

\[P=\frac{E}{t}\]

Por lo tanto, si conocemos la potencia de entrada de un sistema o una máquina y su potencia de salida, podemos calcular la eficiencia de la siguiente manera:

\[\mu=\frac{P_{\text{entrada}}}{P_{\text{salida}}}\]

En un caso no ideal, la cantidad de energía proporcionada tiene que ser mayor que la energía resultante. Por lo tanto, podemos expresar esta diferencia como:

\[E_{\text{entrada}}=E_{\text{salida}}+\Delta E\]

• Donde \(\Delta E\) se refiere a la energía que se pierde en el proceso en otros tipos de energía.

Hay más formas de calcular la eficiencia de un sistema respecto a la energía involucrada en el proceso. Esto lo veremos en el siguiente tema, con algunos ejemplos.

Cálculo de la eficiencia

¡Hagamos un ejercicio fácil para ver cómo calcularíamos la eficiencia de una máquina!

Ejemplos de eficiencia en física

A lo largo del artículo, hemos hablado de cómo la energía puede adoptar diferentes formas y calcular la eficiencia para estos diferentes tipos de energía. Ahora veamos algunos ejemplos de estas energías y cómo utilizar la fórmula de la eficiencia para calcularla en esos casos.

Eficiencia mecánica

En este caso, una máquina realiza un trabajo que consiste en mover un objeto una determinada distancia. Por tanto, para hacer ese trabajo se aplica una energía, que dará una energía resultante inferior a la de entrada. Podemos calcular la eficiencia de este proceso con la fórmula que hemos visto anteriormente.

La pérdida de energía se produce por el rozamiento, que es una fuerza de resistencia al movimiento, por lo que la energía se disipará en forma de calor o sonido.

Eficiencia eléctrica

Para calcular la eficiencia eléctrica también utilizamos la fórmula que hemos visto antes de la división entre las potencias de entrada y de salida. Utilizamos esta eficiencia para algunos electrodomésticos y bombillas. Existen algunas técnicas para aumentar la eficiencia eléctrica, como veremos más adelante.

Eficiencia térmica

Utilizamos la eficiencia térmica para calcular la eficiencia de las máquinas de calor, que son máquinas que transforman la energía térmica en trabajo, que es otro tipo de energía. En una máquina térmica, tenemos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas: una a una temperatura mayor y otra a una temperatura menor.

Aumentar la eficiencia en física

Aumentar la eficiencia es uno de los principales objetivos cuando utilizamos la energía y la transferimos. Por eso es tan importante encontrar formas de minimizar la pérdida de energía.

Por ejemplo, como hemos visto, cuando transformamos cualquier tipo de energía en energía mecánica, algún porcentaje de esta energía se pierde, debido a la fricción. Pero, hay algunas formas de reducir esta pérdida de energía:

• La fuerza de rozamiento —y, por tanto, la pérdida de energía— es directamente proporcional al coeficiente de rozamiento, que es particular de cada superficie. El uso de superficies con un coeficiente de fricción menor o el uso de lubricación pueden ayudar a reducir la pérdida de energía.

• Cuando el objeto está en movimiento, el uso de ruedas puede ayudar a reducir los efectos de la fricción. También podemos intentar reducir la resistencia producida por el aire moviéndonos más lentamente o utilizando diseños aerodinámicos, donde el efecto de la resistencia del aire es menor, por la forma en la que fluye.

La mejora de la eficiencia eléctrica también es esencial hoy en día. La principal forma de conseguirlo cuando se transporta la electricidad de un punto a otro a grandes distancias es reduciendo la corriente y aumentando el voltaje para una potencia determinada en las líneas eléctricas. De este modo, la electricidad puede viajar más rápido y las pérdidas energéticas se reducen al dos por ciento, aproximadamente. Una vez que la electricidad ha llegado a zonas con población, la potencia se reduce.

Fig. 4: En las líneas eléctricas, se aumenta la tensión para maximizar la eficiencia.

Además, podemos utilizar superconductores para reducir las pérdidas de energía. Estos superconductores están hechos de materiales que permiten que la electricidad pase a través de ellos sin calentarse y con una pérdida de energía de (aproximadamente) cero, debido a su bajísima resistencia eléctrica. El problema de este tipo de materiales superconductores es que su mantenimiento es muy caro, por lo que su uso no es actualmente viable, desde el punto de vista económico.