Ciclo de Carnot

El Ciclo de Carnot

Una máquina térmica se define como un dispositivo que convierte la energía térmica en diferentes formas de energía; por ejemplo, en energía mecánica y eléctrica. El principio básico de una máquina térmica sea una máquina de vapor, un motor de combustión interna o un motor de reacción, es que el trabajo mecánico sólo puede ser obtenido cuando el calor fluye desde una alta a una baja temperatura.

Cualquier máquina térmica:

1. Gana calor de un depósito de alta temperatura, aumentando su energía interna.
2. Convierte algo de esta energía en trabajo mecánico.
3. Expulsa la energía restante en forma de calor, a un depósito a menor temperatura.

Las máquinas térmicas están sujetas a un sinfín de dificultades prácticas. La fricción y la pérdida de calor por la conducción y la radiación impiden que las máquinas reales funcionen a su eficiencia máxima. Una máquina térmica ideal, libre de estas dificultades, fue sugerida por Sadi Carnot en 1824.

La máquina de Carnot tiene la máxima eficiencia posible tratándose de una máquina que absorbe calor de una fuente a alta temperatura, realizando trabajo externo y deposita calor en un depósito de baja temperatura. Sadi Carnot investigó los principios que rigen la transformación de energía térmica, calor, en energía mecánica, trabajo. Sus estudios se basan en una transformación cíclica de un sistema conocido en la actualidad como ciclo de Carnot.

Este ciclo se compone de cuatro etapas reversibles (dos isotérmicas y dos adiabáticas); en consecuencia, se trata de un ciclo reversible. Un sistema se somete consecutivamente a los siguientes cambios reversibles de estado:

Etapa A. Expansión isotérmica.                        Etapa B. Expansión adiabática.

Etapa C. Compresión isotérmica.                        Etapa D. Compresión adiabática.

Representado en un diagrama p-v se obtiene la siguiente figura:[pic 1]

Etapa A. El gas, de un estado de equilibrio inicial representado por P1, V1 y T1, experimenta una expansión isotérmica hasta alcanzar los valores P2, V2 y T1. El sistema realiza un trabajo (W1) positivo (el trabajo es realizado por el gas, una expansión) y, al tratarse de un proceso isotérmico, la variación de energía interna del sistema es igual a cero. (). Entonces el trabajo hecho toma un calor del entorno equivalente (q1)[pic 2]

Esto, partiendo de la primera ley de la termodinámica.

[pic 3]

[pic 4]

[pic 5]

En el gráfico se trata del paso del estado 1 al estado 2.

Etapa B. Al ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor, el gas realiza trabajo y se alcanzan los valores P3, V3 y T2. Al tratarse de una expansión, el V3 es mayor al de los estados anteriores.

En el gráfico se parte del estado 2 y se llega al estado 3.

Etapa C. Partiendo del estado 3 se alcanza el estado 4 con los valores P4, V4 y T2. Al tratarse de una compresión isotérmica, el trabajo realizado (W2) es negativo, se recibe energía del entorno en forma de trabajo y se cede una energía equivalente en forma de calor.

[pic 6]

Etapa D. Con esta etapa se cierra el ciclo, partiendo del estado 4 y llegando al estado 1. Se alcanzan de nuevo los valores P1, V1 y T1 sin transferencia de calor con el entorno.

Ahora bien, si se analiza el efecto global del ciclo.

• El trabajo neto (WT) realizado por el sistema durante el ciclo es representado en el gráfico por la superficie encerrada en el trayecto 1→ 2 → 3 → 4 → 1. Dado que el ciclo fluye a favor de las manecillas del reloj, el WT es (+).
• La energía calorífica neta (qT) recibida por el sistema se trata de la diferencia entre q1 y q2, obtenidos de los procesos isotérmicos del ciclo (etapas A y C).

El rendimiento de una máquina térmica está dado por la ecuación:

[pic 7]

Siendo el caso de un gas ideal, como se describió anteriormente, el calor entra al sistema durante la etapa A. El calor es absorbido en una expansión isotérmica, en la cual no varía la energía interna del sistema, pues el gas realiza trabajo sobre el entorno al mismo tiempo que absorbe el calor.

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