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.
Explora nuestra app y descubre más de 50 millones de materiales de aprendizaje totalmente gratis.
Lerne mit deinen Freunden und bleibe auf dem richtigen Kurs mit deinen persönlichen Lernstatistiken
Jetzt kostenlos anmeldenNie wieder prokastinieren mit unseren Lernerinnerungen.
Jetzt kostenlos anmeldenImagina 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!
Cuando hablamos de eficiencia en física, nos referimos a la relación entre la producción de energía útil de un sistema y la energía total de entrada transferida a ese sistema.
Antes de avanzar, recordemos que:
En física, la energía se define como la propiedad de un sistema que le permite realizar trabajo y provocar algún cambio en el movimiento de un objeto o calentarlo.
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.
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.
Es importante entender la diferencia entre eficiencia y eficacia.
Por ejemplo, utilizar animales para arar los campos puede ser eficaz; pero no es muy eficiente, desde el punto de vista energético. La razón es que se necesita mucha energía para cultivar las cosechas que se utilizan para alimentar a los animales y se desperdicia mucha energía en la digestión de los alimentos, el crecimiento y el mantenimiento del animal, el cultivo de partes no comestibles de las cosechas, etc.
Imaginemos que tenemos un coche que llenamos de gasolina. Esta gasolina se convierte en energía gracias al motor del coche. Pero, cuando arrancamos el coche, vemos que el motor aumenta su temperatura, empieza a hacer ruido, etc. Por lo tanto, toda la energía que hemos introducido en forma de gasolina (se genera trabajo útil por la combustión de este aceite) no se convertiría toda en movimiento del coche.
Podemos calcular la eficiencia de este coche para ver qué porcentaje de la energía introducida se transforma en la energía mecánica que deseamos. Eso nos dirá cuán eficiente es el coche.
Recuerda que esto no tiene nada que ver con la eficacia del coche. Mientras el coche consiga su objetivo (transportar a las personas de un punto a otro), será eficaz.
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:
\[E_{\text{entrada}}=E_{\text{salida}}+\Delta E\]
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.
¡Hagamos un ejercicio fácil para ver cómo calcularíamos la eficiencia de una máquina!
Imaginemos un motor que tarda \(3\) minutos en realizar un proceso (como mover un coche, o bombear el agua) que requiere una energía de \(4500\, \mathrm{J}\). Este motor consume (teóricamente) \(60\, \mathrm{W}\).
¿Cuál es la eficiencia de esta máquina?
Solución:
En primer lugar, tendríamos que computar la potencia implicada en el proceso.
Como hemos visto anteriormente, para calcular la potencia (recordemos que expresamos el tiempo en segundos):
\[P=\frac{E}{t}=\frac{4500\, \mathrm{J}}{180\, \mathrm{s}}=25\, \mathrm{W}\]
Ahora, solamente tenemos que calcular el rendimiento con las fórmulas que hemos aprendido. Recuerda que la potencia involucrada en el proceso será \(25\, \mathrm{W}\) (resultado) y la teóricamente consumida por la máquina será \(60\, \mathrm{W}\) (ingreso):
\[\mu=\frac{25\, \mathrm{W}}{60\, \mathrm{W}}=0.42\]
Por tanto, la máquina tiene una eficiencia del \(42\mathrm{\%}\) (para calcular el porcentaje únicamente tenemos que multiplicar la eficiencia por \(100\)).
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.
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.
Un ejemplo es un coche, otro tipo de vehículo o cualquier otra máquina con motor o partes móviles.
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.
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.
En el caso descrito para el rendimiento térmico en el que dos fuentes tienen temperaturas diferentes, el rendimiento se puede calcular como:
\[\mu=1-\frac{|Q_C|}{Q_H}.\]
En las máquinas térmicas, existe un límite de eficiencia. Ese límite lo establece el teorema de Carnot, que establece que el rendimiento máximo de una máquina térmica viene dado por las temperaturas de las fuentes:
\[\mu\leq 1-\frac{T_C}{T_H},\]
Independientemente de los ajustes para evitar las pérdidas de energía, como el rozamiento, el rendimiento no será mayor que este.
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.
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.
Podemos medir la eficiencia como:
Eficiencia=Esalida / Eentrada.
La eficiencia también se puede representar con el símbolo μ.
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 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, la cual será inferior a la de entrada. La eficiencia de este proceso la podemos calcular con:
Eficiencia=Esalida / Eentrada.
Para calcular la eficiencia eléctrica realizamos la división entre las potencias de entrada y de salida. Esta eficiencia nos sirve para algunos electrodomésticos y bombillas. Existen algunas técnicas para aumentar la eficiencia eléctrica.
Si la electricidad se transporta a largas distancias, ¿qué ocurre cuando se reduce la corriente y se aumenta la tensión para una determinada potencia en las líneas eléctricas?
No ocurre nada.
¿Cómo podemos aumentar la eficiencia mecánica al mover un objeto?
Todas son correctas.
Si la energía total de entrada de un proceso es \(E_{entrada} = 100\, \mathrm{J}\) y la energía total útil de salida es \(E_{salida}= 20\, \mathrm{J}\). ¿Cuál es el porcentaje de eficiencia de este proceso?
\(\mu=20\%\).
Si la potencia de salida de un proceso es \(P_{salida} = 10\, \mathrm{W}\) y la potencia de ingreso es \(P_{entrada}= 20\, \mathrm{W}\), ¿cuál es la eficiencia de este proceso?
\(\mu=0,5\).
Imagina que una máquina transfiere una cantidad de energía igual a \(1000 \, \mathrm{J}\) a un ritmo constante durante \(20\) segundos. ¿Cuál es la potencia de esta máquina?
\(P=\frac{E}{t}=\frac{1000\, \mathrm{J}}{20\, \mathrm{s}}=50\, \mathrm{W}\).
¿Cómo podemos escribir en general la energía de entrada en un proceso?
\(E_{entrada}=E_{salida}+\Delta E\).
¿Ya tienes una cuenta? Iniciar sesión
Open in AppLa primera app de aprendizaje que realmente tiene todo lo que necesitas para superar tus exámenes en un solo lugar.
Regístrate para poder subrayar y tomar apuntes. Es 100% gratis.
Guarda las explicaciones en tu espacio personalizado y accede a ellas en cualquier momento y lugar.
Regístrate con email Regístrate con AppleAl registrarte aceptas los Términos y condiciones y la Política de privacidad de StudySmarter.
¿Ya tienes una cuenta? Iniciar sesión
¿Ya tienes una cuenta? Iniciar sesión
La primera app de aprendizaje que realmente tiene todo lo que necesitas para superar tus exámenes en un solo lugar.
¿Ya tienes una cuenta? Iniciar sesión