Eficiencia energética
Una bomba de agua de una cooperativa agropecuaria consume electricidad todo el día, pero no toda esa energía termina subiendo agua: el motor se calienta y hace ruido. ¿Cuánta de la energía que recibe la máquina se aprovecha de verdad? ¿Y a dónde va el resto?
Energía útil y energía total
Cuando una máquina funciona, recibe energía de un lado y la entrega en otra forma. Un ventilador recibe energía eléctrica y la convierte en energía de movimiento del aire. Un bombillo recibe energía eléctrica y la convierte en luz.
Pero lo que nos interesa no es todo lo que ocurre, sino lo que queremos conseguir. De ahí salen dos ideas:
Las dos se miden en joules (J) en el Sistema Internacional; también se usan el kilojoule (kJ) y el megajoule (MJ).
La energía útil siempre es una parte de la total. La que sobra no es útil para el fin que buscamos: casi siempre sale como calor y se disipa en el ambiente.
Explica con tus palabras qué se entiende por eficiencia de una máquina o dispositivo. Menciona qué dos magnitudes energéticas se comparan para calcularla.
Explica con tus palabras qué se entiende por eficiencia de una máquina o dispositivo. Menciona qué dos magnitudes energéticas se comparan para calcularla.
Cómo se calcula la eficiencia
Para saber si una máquina aprovecha bien la energía, comparamos lo útil con lo total. Esa comparación se llama eficiencia.
¿Por qué se divide? Porque la división nos dice qué parte de la energía total se aprovechó. Si la parte es $\frac{3}{4}$, multiplicada por 100 da el 75 %. Las dos energías deben estar en la misma unidad, para que se simplifiquen.
También se puede trabajar al revés: si conoces la eficiencia y la energía total, la energía útil es $E_{\text{útil}} = \dfrac{\eta}{100\ \%} \cdot E_{\text{total}}$.
Escribe la expresión matemática de la eficiencia como porcentaje, usando la energía útil $E_{\text{útil}}$ y la energía total suministrada $E_{\text{total}}$. Indica en…
Escribe la expresión matemática de la eficiencia como porcentaje, usando la energía útil $E_{\text{útil}}$ y la energía total suministrada $E_{\text{total}}$. Indica en qué unidad se puede expresar cada una de esas energías en el Sistema Internacional.
Un ventilador recibe $200\ \text{J}$ de energía eléctrica y convierte en energía de movimiento del aire $150\ \text{J}$. Identifica cuál es la energía útil y cuál la…
Un ventilador recibe $200\ \text{J}$ de energía eléctrica y convierte en energía de movimiento del aire $150\ \text{J}$. Identifica cuál es la energía útil y cuál la energía total suministrada, y calcula la eficiencia del ventilador en porcentaje.
¿A dónde va la energía que no es útil?
Si pasas la mano cerca de un bombillo incandescente encendido, quema. Esa es la energía que no se convirtió en luz: se transformó en calor.
La energía que sobra se calcula restando:
$$E_{\text{perdida}} = E_{\text{total}} - E_{\text{útil}}$$Y no desaparece. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. En una máquina, la energía no útil pasa al ambiente como calor (por rozamiento, por calentamiento de los cables, por el ruido...). Está ahí, pero dispersa y ya no podemos aprovecharla para lo que queríamos. Por eso se dice que se disipa.
Un motor eléctrico de una bomba de agua en una cooperativa agropecuaria recibe $5\,000\ \text{J}$ de energía eléctrica y entrega $4\,000\ \text{J}$ de energía mecánica…
Un motor eléctrico de una bomba de agua en una cooperativa agropecuaria recibe $5\,000\ \text{J}$ de energía eléctrica y entrega $4\,000\ \text{J}$ de energía mecánica útil.
- a) Calcula la eficiencia del motor.
- b) ¿Qué ocurrió con los $1\,000\ \text{J}$ restantes? Explica por qué esa energía no se destruye, aunque no sea útil.
Una cocina de gas licuado suministra $2\,400\ \text{kJ}$ de energía en la combustión durante un tiempo dado. De esa energía, solo $1\,200\ \text{kJ}$ llegan a calentar…
Una cocina de gas licuado suministra $2\,400\ \text{kJ}$ de energía en la combustión durante un tiempo dado. De esa energía, solo $1\,200\ \text{kJ}$ llegan a calentar el agua de una olla.
- a) Calcula la eficiencia de la cocina en ese proceso.
- b) Expresa en kilojoules la energía que se pierde al ambiente.
- c) Menciona una medida sencilla para aumentar el aprovechamiento de la energía al cocinar.
Comparar dispositivos
La eficiencia sirve para decidir qué aparato conviene. A igual energía recibida, el más eficiente entrega más energía útil y desperdicia menos.
Daniela compara dos bombillos que dan la misma luz: el incandescente convierte en luz el 5 % de la energía eléctrica y el LED el 40 %. Si cada uno recibe $1\,000\ \text{J}$:
| Bombillo | Eficiencia | Energía luminosa útil | Energía como calor |
|---|---|---|---|
| Incandescente | 5 % | $0{,}05 \cdot 1\,000 = 50\ \text{J}$ | $950\ \text{J}$ |
| LED | 40 % | $0{,}40 \cdot 1\,000 = 400\ \text{J}$ | $600\ \text{J}$ |
El LED es más eficiente. El incandescente convierte la mayor parte de la energía (95 %) en calor, y por eso se calienta tanto.
Otra forma de comparar es fijar la energía útil y ver cuánta energía total necesita cada uno. Un motor que para subir una carga necesita menos energía eléctrica es el más eficiente.
Daniela compara dos bombillos que producen la misma cantidad de luz. El bombillo incandescente transforma en luz el $5\ \%$ de la energía eléctrica que recibe y el…
Daniela compara dos bombillos que producen la misma cantidad de luz. El bombillo incandescente transforma en luz el $5\ \%$ de la energía eléctrica que recibe y el bombillo LED transforma el $40\ \%$.
- a) Si cada uno recibe $1\,000\ \text{J}$, calcula la energía luminosa útil que produce cada uno.
- b) ¿Qué bombillo es más eficiente? Explica en qué se convierte la mayor parte de la energía en el incandescente.
Un estudiante de 8.° grado mide el funcionamiento de un pequeño motor que sube una carga. Le suministra $800\ \text{J}$ de energía eléctrica y la carga gana…
Un estudiante de 8.° grado mide el funcionamiento de un pequeño motor que sube una carga. Le suministra $800\ \text{J}$ de energía eléctrica y la carga gana $560\ \text{J}$ de energía potencial gravitatoria. Otro motor, para subir la misma carga, necesita $700\ \text{J}$ de energía eléctrica.
- a) Calcula la eficiencia de cada motor.
- b) ¿Cuál es más eficiente? Argumenta tu respuesta.
- c) Calcula cuánta energía se pierde en cada motor y explica en qué formas de energía se transforma.
Eficiencia en la termoeléctrica y límites
Una termoeléctrica quema combustible y entrega electricidad a la red. Parte de la energía del combustible se va como calor por las chimeneas y el agua de enfriamiento. Por eso su eficiencia es relativamente baja.
Ahora, ¿puede una máquina tener eficiencia del 110 %? Eso significaría que entrega más energía útil que la que recibe: habría «creado» energía. Como la energía se conserva, la energía útil siempre es menor que la total. Ninguna máquina real llega al 100 %, porque siempre hay rozamiento o calentamiento.
Una central termoeléctrica recibe, por la combustión del combustible, $1\,000\ \text{MJ}$ de energía en cierto intervalo de tiempo y entrega a la red eléctrica…
Una central termoeléctrica recibe, por la combustión del combustible, $1\,000\ \text{MJ}$ de energía en cierto intervalo de tiempo y entrega a la red eléctrica $300\ \text{MJ}$. Una mipyme instala un generador que, con $400\ \text{MJ}$ de combustible, entrega $140\ \text{MJ}$ de electricidad.
- a) Calcula la eficiencia de la central y la del generador.
- b) Compara ambas eficiencias y decide cuál aprovecha mejor el combustible.
- c) Un técnico afirma: «Una máquina con eficiencia del $110\ \%$ ahorraría energía». Analiza esta afirmación y explica por qué no es posible.
Vuelve al principio: de la energía eléctrica que recibe la bomba de la cooperativa, solo una parte (la eficiencia) sube agua; el resto se disipa como calor en el motor, pero no se destruye.