La eficiencia térmica del motor térmico se rige por los límites de temperatura superior e inferior a los que funciona el motor. La máxima eficiencia térmica de cualquier motor térmico puede ser la de un “motor Carnot” que opera entre los mismos límites de temperatura. Debido a la falta de disponibilidad de materiales que puedan funcionar a temperaturas muy altas, generalmente la temperatura de funcionamiento es de aproximadamente 800 grados centígrados. La eficiencia térmica es limitada.
La máxima eficiencia térmica del motor térmico viene dada por:
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Para el motor de carnot puedes tomar
Qout = Tlow = 273 + 27 = 300 k
Qin = muslo = 273 + 1200 = 1073 k
Usando la fórmula anterior obtienes una eficiencia térmica de aproximadamente el 73%. Esto significa que ningún motor puede superar esta eficiencia operando entre límites de temperatura de 27 grados centígrados (aproximadamente igual a la temperatura atmosférica del ambiente) y 800 grados centígrados (temperatura de funcionamiento del motor) independientemente del avance de la tecnología.
Ahora sabemos que el ciclo real es bastante diferente del ciclo ideal de Carnot.
Este es un diagrama simplificado del motor de cilindro de pistón.
El ciclo ideal de Carnot se ve así
Y el ciclo real se ve así
Por lo tanto, la eficiencia térmica real es de alrededor del 25–35% para los motores de combustión interna utilizados en sus automóviles debido a diversas pérdidas como la transferencia de calor a las paredes, complicaciones de combustión y otros.
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Eficiencia mecánica = Potencia de frenado / Potencia indicada
Potencia indicada = potencia de frenado + potencia de fricción
La potencia indicada es la potencia desarrollada en el pistón, pero no toda se utiliza. Parte de este poder se desperdicia debido a la fricción entre las partes móviles (como la biela y el cigüeñal). Este poder desperdiciado es poder de fricción.
Reducir el poder de fricción no es un gran problema. Mediante modernas técnicas de lubricación, se pueden lograr fácilmente eficiencias mecánicas de aproximadamente el 70%. Es un problema de ingeniería que puede resolverse hasta cierto punto. Un campo completo llamado ” Tribología ” está dedicado a este problema. Pero lograr una mayor eficiencia térmica es muy difícil, ya que se rige por la ley de Carnot.
Nota: se puede lograr una eficiencia del 100% en la interacción materia-antimateria, lo que proporciona una conversión de energía del 100% de la masa.
El desarrollo de motores cerámicos permitirá mayores temperaturas de funcionamiento para los motores, aumentando significativamente la eficiencia térmica.
Espero que esta respuesta te ayude a comprender este problema.