Calculadora de eficiencia de Carnot

Introduce las temperaturas del foco caliente y del foco frío en grados Celsius, kelvin o Fahrenheit. La calculadora las pasa a kelvin y da el rendimiento de Carnot, el mejor coeficiente de rendimiento (COP) posible de un refrigerador y de una bomba de calor entre esas mismas temperaturas y cuánto de un calor dado puede convertirse, como mucho, en trabajo.

Unidad de temperatura
J
Rendimiento de Carnot61,44 %
COP del refrigerador (frío)
0,628
COP de la bomba de calor (calor)
1,628
Trabajo máximo
614,37 J
Calor cedido al foco frío
385,63 J
Foco caliente en kelvin
773,15 K
Foco frío en kelvin
298,15 K

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Cómo se usa

  1. Elige la unidad de temperatura: °C, K o °F.
  2. Introduce la temperatura del foco caliente (la caldera, los gases de combustión, la habitación que calienta una bomba de calor).
  3. Introduce la del foco frío (el agua de refrigeración, el aire exterior, el interior de una nevera).
  4. Si quieres, indica el calor que absorbe la máquina en julios (o en cualquier unidad de energía: el trabajo sale en la misma).

Cómo funciona

Las temperaturas se pasan a kelvin: K = °C + 273,15, K = (°F − 32) × 5/9 + 273,15. Después:

  • Rendimiento de Carnot η = 1 − Tf ÷ Tc
  • COP del refrigerador = Tf ÷ (Tc − Tf): calor extraído del lado frío por unidad de trabajo
  • COP de la bomba de calor = Tc ÷ (Tc − Tf): calor entregado al lado caliente por unidad de trabajo
  • Trabajo máximo W = η × Qc; el resto, Qc − W, va al foco frío

Ejemplo resuelto

Un ciclo de vapor toma calor a 500 °C y lo cede a 25 °C. En kelvin son 773,15 K y 298,15 K, una diferencia de 475 K.

  • η = 475 ÷ 773,15 = 61,44 %
  • De 1000 J de calor, como mucho 614,37 J se convierten en trabajo y 385,63 J se van con el agua de refrigeración.
  • Un refrigerador entre las mismas temperaturas podría tener un COP de 298,15 ÷ 475 = 0,628; una bomba de calor, 773,15 ÷ 475 = 1,628.

Consejos y errores frecuentes

  • Poca diferencia de temperatura, COP alto. Una bomba de calor que lleva calor de 0 °C fuera a 20 °C dentro tiene un COP ideal de 293,15 ÷ 20 = 14,66; los equipos reales alcanzan solo una parte.
  • Rendimiento no es COP. El rendimiento de un motor es menor que el 100 %; el COP de neveras y bombas de calor suele ser mayor que 1, y no hay contradicción.
  • Cuentan las temperaturas, no el combustible. El límite solo depende de las dos temperaturas, no del combustible ni del fluido de trabajo.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la fórmula del rendimiento de Carnot?

η = 1 − Tf ÷ Tc, con ambas temperaturas en kelvin. Entre 500 °C (773,15 K) y 25 °C (298,15 K) es 1 − 298,15 ÷ 773,15 = 61,44 %.

¿Por qué hay que usar kelvin?

La fórmula es un cociente de temperaturas absolutas. Con grados Celsius sale mal, por ejemplo 1 − 25 ÷ 500 = 95 % en lugar de 61,44 %. La calculadora pasa °C y °F a kelvin por ti.

¿Puede un motor real alcanzar el rendimiento de Carnot?

No. Es el límite superior de cualquier máquina térmica entre esas dos temperaturas. El rozamiento, la transferencia de calor a velocidad finita y otras irreversibilidades dejan a los motores reales bastante por debajo.

¿Qué relación hay entre el COP de frío y el de calor?

En el ciclo ideal, COP de calor = Tc ÷ (Tc − Tf) y COP de frío = Tf ÷ (Tc − Tf), así que el de calor siempre es exactamente 1 más que el de frío.

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