Ciclo De Carnot

EL CICLO DE CARNOT

El Segundo Principio de la Termodinámica nos dice que todos los procesos de la

Naturaleza son irreversibles.

Si analizamos someramente los procesos naturales, todos presentan al menos una

de estas dos características: a) No quedan en absoluto satisfechas las condiciones

de equilibrio mecánico, químico o térmico, es decir, de equilibrio termodinámico, b)

Se producen siempre efectos de disipación energética, viscosidad, resistencia

eléctrica, etc.. Solamente si un proceso se realiza quasi-estáticamente pasaría por

una serie de estados de equilibrio termodinámico de modo que el trabajo que

realiza puede recibirlo en el proceso inverso. Para que un proceso pueda, pues,

considerarse reversible ha de cumplir en definitiva: primero, que sea cuasi-estático,

y, segundo, que no se desarrollan en el mismo efectos de disipación energética.

En 1824 el ingeniero francés Sadi Carnot estudió la eficiencia de las diferentes máquinas térmicas que trabajan transfiriendo calor de una fuente de calor a otra y concluyó que las más eficientes son las que funcionan de manera reversible. Para ello diseñó una máquina térmica totalmente reversible que funciona entre dos fuentes de calor de temperaturas fijas. Esta máquina se conoce como la máquina de Carnot y su funcionamiento se llama el ciclo de Carnot.

La máquina de Carnot.

La máquina de Carnot puede pensarse como un cilindro con un pistón y una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes T1 < T2. Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas del cilindro se hace isotérmicamante, es decir, manteniendo la temperatura constante lo cual hace que esa parte del proceso sea reversible. El ciclo se completa con una expansión y una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor, que son también procesos reversibles.

La máquina funciona así:

1) Expansión isotérmica. Se parte de una situación en que el gas ocupa el volumen mínimo Vmin y se encuentra a la temperatura T2 y la presión es alta. Entonces se acerca la fuente de calor de temperatura T2 al cilindro y se mantiene en contacto con ella mientras el gas se va expandiendo a consecuencia de la elevada presión del gas. El gas al expandirse tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y así mantiene su temperatura constante durante esta primera parte de la expansión. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón que se transfiere al movimiento circular. La temperatura del gas permanece constante durante esta parte del ciclo, por tanto no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo.

dQ1 = dW1 >= 0 , dU1 = 0

2) Expansión adiabática. La expansión isotérmica termina en un punto preciso tal que el resto de la expansión, que se realiza adiabáticamente (es decir sin intercambio de calor, el cilindro se mantiene totalmente aislado de cualquier fuente de calor), permite que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T1en el momento en que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas su alcanza su volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energía interna.

dQ2 = 0 , dU2 = dW2 >= 0

3) Compresión isotérmica. Se pone la fuente de calor de temperatura T1 en contacto con el cilindro y el gas comienza a comprimirse pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría T2. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas, pero como la temperatura permanece constante, la energía interna del gas no cambia y por tanto ese trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1.

dQ3

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