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Eficiencia

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?

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.

Eficiencia Etiqueta de clasificación de eficiencia StudySmarterFig. 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.

Es importante entender la diferencia entre eficiencia y eficacia.

  • Ser eficiente significa obtener el resultado deseado con la mínima pérdida de energía en relación con la energía total de entrada.
  • Por otro lado, la eficacia es la probabilidad de obtener el resultado deseado, sin importar cuántos recursos se utilicen o desperdicien en el proceso.

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.

Eficiencia Coche de carreras StudySmarterFig. 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!

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 \(100\)).

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.

Un ejemplo es un coche, otro tipo de vehículo o cualquier otra máquina con motor o partes móviles.

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.

En el caso descrito para el rendimiento térmico en el que dos fuentes tienen temperaturas diferentes, el rendimiento se puede calcular como:

\[\mu=1-\frac{|Q_C|}{Q_H}.\]

  • Donde \(Q_C\) es el calor que sale de la máquina que transforma el calor en trabaj, y \(Q_H\) es el calor que entra.

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:

\[\mu\leq 1-\frac{T_C}{T_H},\]

  • donde \(T_C\) es la temperatura de la fuente más caliente y \(T_H\) es la temperatura de la más fría.

Independientemente de los ajustes para evitar las pérdidas de energía, como el rozamiento, el rendimiento no será mayor que este.

Eficiencia en Física Diagrama del motor térmico de Carnot StudySmarterFig. 3: Diagrama de un motor térmico de Carnot.

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.

Eficiencia Líneas de transmisión de electricidad StudySmarterFig. 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.

Eficiencia - Puntos clave

  • La eficiencia es la relación entre la salida de energía útil de un sistema y la energía total de entrada.
  • La energía puede transformarse de diferentes tipos en otros, como la energía térmica, la energía mecánica, la energía luminosa, etc.
  • La ley de la conservación de la energía establece que esta no se crea ni se destruye, sino que se transforma de una forma a otra. Por lo tanto, existe una pérdida de energía en un proceso que se transforma en otro tipo de energía. Normalmente, esa pérdida de energía se produce por la fricción.
  • Existe una relación directa entre la pérdida de energía de un proceso y la eficiencia de la máquina que lo realiza.
  • La eficacia es el grado de éxito de un resultado deseado, independientemente de los recursos utilizados. Una máquina puede ser eficaz pero no eficiente.
  • Para calcular la eficacia dividimos la energía del resultado por la energía del ingreso. Lo mismo ocurre con la potencia.
  • La eficiencia se puede aumentar de muchas maneras. Para la eficiencia mecánica, podemos utilizar lubricación y ruedas. También se puede aumentar la eficiencia eléctrica con técnicas de modificación de la potencia o con superconductores.


References

  1. Fig. 1: Energy efficiency label A (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Energy_efficiency_label_A.svg) by Loominade is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)

Preguntas frecuentes sobre Eficiencia

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.

Cuestionario final de Eficiencia

Pregunta

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?

Mostrar respuesta

Answer

No ocurre nada. 

Show question

Pregunta

¿Cómo podemos aumentar la eficiencia mecánica al mover un objeto? 

Mostrar respuesta

Answer

Todas son correctas.

Show question

Pregunta

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?

Mostrar respuesta

Answer

\(\mu=20\%\).

Show question

Pregunta

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?

Mostrar respuesta

Answer

\(\mu=0,5\).

Show question

Pregunta

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? 

Mostrar respuesta

Answer

\(P=\frac{E}{t}=\frac{1000\, \mathrm{J}}{20\, \mathrm{s}}=50\, \mathrm{W}\).

Show question

Pregunta

¿Cómo podemos escribir en general la energía de entrada en un proceso? 

Mostrar respuesta

Answer

\(E_{entrada}=E_{salida}+\Delta E\).

Show question

Pregunta

¿Cómo se produce una pérdida de energía durante un proceso?

Mostrar respuesta

Answer

Hay una pérdida de energía durante un proceso cuando una parte de la energía de entrada se transforma en otros tipos de energía diferentes de la salida de energía útil. Por ejemplo, cuando un motor se calienta, esta energía térmica es una pérdida de energía. 

Show question

Pregunta

¿En qué rango se sitúa la eficiencia en un caso no ideal? 

Mostrar respuesta

Answer

\(0\leq \mu < 1\).

Show question

Pregunta

¿Cuál es la fórmula general para calcular la eficiencia? 

Mostrar respuesta

Answer

\(\text{Eficiencia}=\frac{E_{\text{entrada}}}{E_{\text{salida}}}\).

Show question

Pregunta

¿Qué símbolo griego utilizamos para expresar la eficiencia? 

Mostrar respuesta

Answer

\(\mu\).

Show question

Pregunta

¿Qué unidades tiene la eficiencia (unidades estándar)? 

Mostrar respuesta

Answer

Joules (\(\mathrm{J}\)).

Show question

Pregunta

¿Cuál de estas no es un tipo de energía? 

Mostrar respuesta

Answer

Energía del sonido.

Show question

Pregunta

¿Es la eficacia un sinónimo de eficiencia? 

Mostrar respuesta

Answer

No, la eficacia es el grado de realización del resultado deseado. 

Show question

Pregunta

La ley de la conservación de la energía establece que...

Mostrar respuesta

Answer

La energía no se crea ni se destruye, sino que se transfiere en diferentes formas o tipos.

Show question

Pregunta

¿Qué se entiende por eficiencia en física? 

Mostrar respuesta

Answer

La eficiencia es la relación entre la energía útil de salida de un sistema y la energía total de entrada en ese sistema. 

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