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Eficiencia térmica: definición, fórmula y ejemplos

Eficiencia térmica: definición, fórmula y ejemplos prácticos. Aprende a calcular el rendimiento de motores y centrales, causas de pérdidas y cómo optimizarlo.

Autor: Leandro Alegsa Fecha de creación: 20 de diciembre de 2021 Última actualización: 4 de marzo de 2026

El rendimiento térmico ( η t h {\displaystyle \eta _{th},} $\eta_{th} \,$ ) es una medida de rendimiento adimensional de un dispositivo térmico como un motor de combustión interna, una caldera o un horno, por ejemplo.

La entrada, Q i n {\displaystyle Q_{in},} $Q_{in} \,$ , al dispositivo es el calor, o el contenido de calor de un combustible que se consume. La salida deseada es el trabajo mecánico, W o u t {pantalla W_{out},} $W_{out} \,$ , o el calor, Q o u t {pantalla Q_{out},} $Q_{out} \,$ , o posiblemente ambos. Dado que el calor de entrada suele tener un coste económico real, una definición genérica y memorable de la eficiencia térmica es

η t h ≡ Output Input . {\a6}equiv. {\a6}equiv. {\a6}equiv. {\a6}equiv. {\a6} } $\eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.$

A partir de la primera y segunda ley de la termodinámica, la producción no puede exceder lo que ingresa, por lo que

0 ≤ η t h ≤ 1,0. {\displaystyle 0\leq \eta _{th}\leq 1.0.} $0 \le \eta_{th} \le 1.0.$

Cuando se expresa en porcentaje, la eficiencia térmica debe estar entre el 0% y el 100%. Debido a ineficiencias como la fricción, la pérdida de calor y otros factores, las eficiencias térmicas suelen ser muy inferiores al 100%. Por ejemplo, un motor de gasolina típico funciona con una eficiencia térmica de alrededor del 25%, y una gran central eléctrica de carbón alcanza un máximo de alrededor del 36%. En una central de ciclo combinado, la eficiencia térmica se aproxima al 60%.

Fórmulas prácticas y relaciones

Para un motor térmico que toma calor Q_in y convierte parte en trabajo W_out, la eficiencia térmica se define generalmente como:

Para conversión a trabajo: η_th = W_out / Q_in
Si interesa el calor útil producido (por ejemplo en una caldera): η_th = Q_out / Q_in
Balance energético: Q_in = W_out + Q_out (si no hay acumulación de energía), por lo que η_th = 1 − Q_out/Q_in cuando la salida útil es trabajo.

Ejemplo numérico sencillo: si Q_in = 100 MJ y un motor tiene η_th = 0.25, entonces W_out = 25 MJ y Q_out = 75 MJ.

Límite termodinámico: eficiencia de Carnot

La eficiencia máxima teórica para un motor térmico que opera entre una fuente caliente a temperatura T_H y una fuente fría a T_C viene dada por el rendimiento de Carnot:

η_Carnot = 1 − T_C/T_H (con T en kelvin). Esta es una cota superior ideal; ningún ciclo real puede superarla. En la práctica, las pérdidas irreversibles (fricción, transferencia de calor finita, mezclas no ideales) reducen aún más la eficiencia.

Factores que afectan la eficiencia térmica

Temperatura de operación: mayores T_H (y menor T_C) permiten una mayor eficiencia teórica.
Pérdidas por transmisión y radiación: aislamiento deficiente o grandes superficies de intercambio elevan Q_out no aprovechado.
Ineficiencias mecánicas: fricción, bombeo, pérdidas en sistemas auxiliares.
Calidad del combustible y su contabilización: selección entre poder calorífico superior (PCS) o inferior (PCI / LHV) afecta el valor de Q_in usado en el cálculo.
Diseño del ciclo: ciclos combinados, recuperadores de calor y cogeneración aumentan la eficiencia global al aprovechar calor residual.

Medición y consideración práctica

Al calcular η_th en la práctica conviene especificar claramente qué cantidades se miden y en qué base:

¿Q_in se toma como el poder calorífico superior o inferior del combustible? (esto cambia el resultado).
¿Se incluyen las pérdidas auxiliares (bombas, ventiladores) en W_out o se las descuenta por separado?
En cogeneración o plantas de ciclo combinado, suele hablarse de eficiencia eléctrica (output eléctrico / Q_in) y de eficiencia global cuando se suma el calor útil recuperado.

Cómo mejorar la eficiencia térmica

Recuperación de calor residual (intercambiadores, economizadores).
Operación a temperaturas y presiones más altas (en límites de materiales).
Mejoras en el aislamiento y reducción de pérdidas por fugas.
Optimización del control y del mantenimiento (inyección, combustión, sincronización).
Uso de ciclos combinados o cogeneración para aprovechar energía que de otro modo sería derramada al ambiente.

Observaciones finales

La eficiencia térmica es una herramienta esencial para comparar tecnologías y para diseñar sistemas energéticos más eficientes. Sin embargo, no debe confundirse con la rentabilidad económica ni con la sostenibilidad ambiental: un sistema con mayor eficiencia térmica puede seguir siendo poco deseable si utiliza un combustible muy contaminante o si su coste de capital es prohibitivo. Para un análisis completo conviene combinar la eficiencia térmica con indicadores económicos (coste por unidad de energía útil) y ambientales (emisiones por unidad de energía útil).

Motores térmicos

Al transformar la energía térmica en energía mecánica, el rendimiento térmico de un motor térmico es el porcentaje de energía que se transforma en trabajo. El rendimiento térmico se define como

η t h ≡ W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} $\eta_{th} \equiv \frac{W_{out}}{Q_{in}}$ ,

o mediante la primera ley de la termodinámica para sustituir el trabajo producido por el rechazo del calor residual,

η t h = 1 - Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} $\eta_{th} = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$ .

Por ejemplo, cuando 1.000 julios de energía térmica se transforman en 300 julios de energía mecánica (y los 700 julios restantes se disipan como calor residual), el rendimiento térmico es del 30%.

Conversión de energía

Para un dispositivo de conversión de energía como una caldera o un horno, el rendimiento térmico es

η t h ≡ Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} $\eta_{th} \equiv \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$ .

Así, para una caldera que produce 210 kW (o 700.000 BTU/h) de salida por cada 300 kW (o 1.000.000 BTU/h) de entrada de calor equivalente, su eficiencia térmica es de 210/300 = 0,70, es decir, el 70%. Esto significa que el 30% de la energía se pierde en el medio ambiente.

Un calentador de resistencia eléctrica tiene un rendimiento térmico del 100% o muy cercano, por lo que, por ejemplo, se producen 1500W de calor por 1500W de entrada eléctrica. Cuando se comparan unidades de calefacción, como un calentador de resistencia eléctrica con una eficiencia del 100% con un horno de gas natural del 80%, hay que comparar los precios de la energía para encontrar el coste más bajo.

Bombas de calor y frigoríficos

Las bombas de calor, los frigoríficos y los aparatos de aire acondicionado, por ejemplo, mueven el calor en lugar de convertirlo, por lo que se necesitan otras medidas para describir su rendimiento térmico. Las medidas más comunes son el coeficiente de rendimiento (COP), la relación de eficiencia energética (EER) y la relación de eficiencia energética estacional (SEER).

La eficiencia de una bomba de calor (HP) y de los refrigeradores (R)*:
E H P = | Q H | | W | {{displaystyle E_{HP}={{frac {|Q_{H}|}{|W|}} $E_{HP}=\frac{|Q_H|}{|W|}$

E R = | Q L | W | {\displaystyle E_{R}={frac {|Q_{L}|||W|}} $E_{R}=\frac{|Q_L|}{|W|}$

E H P - E R = 1 {\displaystyle \displaystyle E_{HP}-E_{R}=1} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Si las temperaturas en ambos extremos de la bomba de calor o del frigorífico son constantes y sus procesos reversibles:

E H P = T H T H - T L {\displaystyle E_{HP}={frac {T_{H}}{T_{H}-T_{L}}}} $E_{HP}=\frac{T_H}{T_H - T_L}$

E R = T L T H - T L {\displaystyle E_{R}={\frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}} $E_{R}=\frac{T_L}{T_H - T_L}$

*H=alta (temperatura/fuente de calor), L=baja (temperatura/fuente de calor)

Eficiencia energética

La "eficiencia térmica" se denomina a veces eficiencia energética. En Estados Unidos, en el uso cotidiano, el SEER es la medida más común de la eficiencia energética de los aparatos de refrigeración, así como de las bombas de calor cuando están en modo de calefacción. En el caso de los dispositivos de calefacción de conversión de energía, a menudo se indica su eficiencia térmica máxima en estado estacionario, por ejemplo, "este horno tiene una eficiencia del 90%", pero una medida más detallada de la eficacia energética estacional es la eficiencia anual de utilización del combustible (AFUE).

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Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es la eficiencia térmica?

R: La eficiencia térmica es una medida adimensional del rendimiento de un dispositivo térmico como un motor de combustión interna, una caldera o un horno. Se calcula dividiendo la producción por la entrada del dispositivo.

P: ¿Cuáles son algunos ejemplos de dispositivos térmicos?

R: Algunos ejemplos de dispositivos térmicos son los motores de combustión interna, las calderas y los hornos.

P: ¿Cuál es la entrada de un dispositivo térmico?

R: La entrada a un dispositivo térmico es el calor o el contenido calórico de un combustible que se consume.

P: ¿Cuál es el rendimiento deseado de un dispositivo térmico?

R: La salida deseada de un dispositivo térmico puede ser trabajo mecánico, calor o ambos.

P: ¿Cómo podemos definir la eficiencia térmica en términos generales?

R: La eficiencia térmica puede definirse en términos generales como Rendimiento/Ingreso.

P: ¿En qué intervalo se encuentra el valor de ηth?

R: El valor para ηth debe estar entre 0 y 1,0 cuando se expresa como porcentaje debe estar entre 0% y 100%.

P: ¿Los valores típicos de ηth suelen ser cercanos al 100%?

R: No, debido a ineficiencias como la fricción y la pérdida de calor los valores típicos para ηth son muy inferiores al 100%. Por ejemplo, los motores de gasolina de los automóviles suelen funcionar en torno al 25%, mientras que las grandes centrales eléctricas de carbón alcanzan un máximo de alrededor del 36%, y las centrales de ciclo combinado se acercan al 60%.

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