Potencia y eficiencia de una máquina

El motor del Bugatti Chiron proporciona 1.409 CV de potencia y consume más de 25 L de combustible para recorrer 100 km a velocidades legales. Es potente pero, ¿es eficiente? Como comparación un Toyota Prius consume 3,3 L en las mismas condiciones.

Lo útil que puede ser una máquina para una tarea concreta viene dado por el ritmo al que puede proporcionar energía. La velocidad a la que una máquina proporciona energía es a lo que llamamos potencia. Por definición, la potencia (P) es la cantidad de energía (E) proporcionada por unidad de tiempo (t), es decir, P = E/t

Existen varias unidades de potencia con definiciones basadas en la tradición. Entre ellas están los caballos de potencia, como cuando decimos que un coche tiene 300 CV, donde “CV” significa caballo de vapor. Antes de la máquina de vapor la fuente de potencia habitual era el trabajo de los caballos. Watt, con objeto de evaluar sus máquinas en una unidad que la gente de la época pudiese entender, midió la potencia de un caballo. Sus resultados mostraban que un caballo sano y fuerte, trabajando continuamente, podía levantar un objeto de 75 kg de masa, que pesa alrededor de 750 newtons, a una velocidad del orden de 1 m/s (ni que decir tiene que Watt empleó libras y pies y que nosotros usamos sus equivalentes en el Sistema Internacional). Aunque conserva el nombre, la unidad actual “caballo de potencia” tiene un valor dado por definición y no por un experimento.

En el Sistema Internacional la unidad de potencia se llama, como no podía ser de otra manera, watt, españolizada como vatio, de símbolo W. Un vatio se define como un julio de energía por segundo o, en símbolos, 1 W = 1 J/s. Así pues, el caballo de Watt tenía una potencia de 750 W, ya que desarrollaba un trabajo (energía) de 750 N · 1m/s y 1 J = 1 N·m. Según Watt, por tanto, 1 caballo de vapor eran unos 750 W.

Pero la potencia por sí misma no nos dice si el empleo de una máquina en concreto tiene sentido económico. Efectivamente, sabemos que la cantidad de energía mecánica que se corresponde a una unidad de energía térmica es el “equivalente mecánico del calor”. El hallazgo por parte de Joule de un valor para este equivalente mecánico del calor hizo posible definir las máquinas de una forma completamente nueva usando el concepto de eficiencia.

Este concepto de eficiencia puede aplicarse a una máquina o a cualquier dispositivo que transforma energía de una forma a otra como, por ejemplo, de energía térmica en energía mecánica. La eficiencia se define como la razón de la energía útil que proporciona la máquina o dispositivo, a la que llamaremos energía de salida Es, y la energía que hemos “introducido” en la máquina, Ei. Usando símbolos y empleando ef para eficiencia, podemos escribir: ef = Es / Ei. Algunas veces es cómodo expresar la eficiencia en porcentaje, por lo que en esos casos ef (%) = (Es / Ei) ·100.

Como la energía no puede destruirse, la máxima eficiencia de una máquina sería 100 %, lo que significa que toda la energía introducida a parece transformada en energía útil de salida. La eficiencia es tan importante como la potencia en el diseño de máquinas y dispositivos y, algunas veces más. Después de todo la energía que se introduce, ya sea en forma de combustible o de energía eléctrica, es una parte muy importante en el costo de operación, y cuanto más eficiencia más barato es de operar y, todo lo demás igual, menos contamina.

El concepto de eficiencia permite establecer una clasificación de máquinas y dispositivos equivalentes en función del uso que hacen de la energía. Esta clasificación es una guía para el ahorro y la conciencia medioambiental de los usuarios.

La máquina de Watt era más eficiente que la de Newcomen que, a su vez, era más eficiente que la de Savery. Pero, ¿existe algún límite a las mejoras en la eficiencia? El límite superior del 100 % viene impuesto por la ley de la conservación de la energía; es decir, ninguna máquina puede producir más energía mecánica de la que se le introduce en cualquiera de las formas posibles. Con todo, incluso antes de que se formulase expresamente la ley de conservación de la energía, un joven ingeniero francés, Sadi Carnot, estableció que en la práctica el límite superior de eficiencia es mucho menor. Las razones para la existencia de este límite son tan fundamentales como la propia ley de la conservación de la energía.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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Carnot y los comienzos de la termodinámica (1) - Cuaderno de Cultura Científica

[…] Carnot fue uno de de los ingenieros franceses que se propusieron estudiar los principios científicos subyacentes al funcionamiento de la máquina de vapor con el objetivo de lograr la máxima potencia de salida con la máxima eficiencia. Como resultado de sus estudios, Carnot y otros ayudaron a establecer la física del calor, lo que se conoce como termodinámica. […]

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