Ciclo De Crnot Y Antropia

El ciclo de carnot:

Fue propuesto en 1824 por el ingeniero francés sadi carnot. La maquina térmica teórica que opera en el ciclo de carnot se llama maquina térmica de carnot, cuyo ciclo se compone de cuatros procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos, y que es posible llevar a cabo en un sistema cerrado o de flujo estacionario.

Considere un sistema cerrado conformado por un gas contenido en un dispositivo de cilindro-émbolo adiabático, como se ilustra en la figura 1. El aislamiento de la cabeza del cilindro es tal que puede ser eliminado para poner al cilindro en contacto con depósitos que proporcionan transferencia de calor.

Los cuatro procesos reversibles que conforman el ciclo de Carnot son los siguientes:

Expansión isotérmica reversible: (proceso 1-2, TH = constante). Inicialmente (estado 1), la temperatura del gas es TH y la cabeza del cilindro está en contacto estrecho con una fuente a temperatura TH. Se permite que el gas se expanda lentamente y que realice trabajo sobre los alrededores. Cuando el gas se expande su temperatura tiende a disminuir, pero tan pronto como disminuye la temperatura en una cantidad infinitesimal dT, cierta cantidad de calor se transfiere del depósito hacia el gas, de modo que la temperatura de éste se eleva a TH. Así, la temperatura del gas se mantiene constante en TH. Como la diferencia de temperatura entre el gas y el depósito nunca excede una cantidad diferencial dT, éste es un proceso reversible de transferencia de calor. El proceso continúa hasta que el émbolo alcanza la posición 2. La cantidad de calor total transferido al gas durante este proceso es QH.

Expansión adiabática reversible: (proceso 2-3, la temperatura disminuye de (TH a TL). En el estado 2, el depósito que estuvo en contacto con la cabeza del cilindro se elimina y se reemplaza por aislamiento para que el sistema se vuelva adiabático. El gas continúa expandiéndose lentamente y realiza trabajo sobre los alrededores hasta que su temperatura disminuye de TH TL (estado 3). Se supone que el émbolo no experimenta fricción y el proceso está en cuasiequilibrio, de modo que el proceso es reversible así como adiabático.

Compresión isotérmica reversible: (procesos 3-4, TL = constante). En el estado 3, se retira el aislamiento de la cabeza del cilindro y se pone a éste en contacto con un sumidero a temperatura TL. Después una fuerza externa empuja al cilindro hacia el interior, de modo que se realiza trabajo sobre gas. A medida que el gas se comprime, su temperatura tiende a incrementarse, pero tan pronto como aumenta una cantidad infinitesimal dT, el calor se transfiere desde el gas hacia el sumidero, lo que causa que la temperatura del gas descienda a TL. Así, la temperatura del gas permanece constante en TL. Como la diferencia de temperatura entre el gas y el sumidero nunca excede una cantidad diferencial dT, éste es un proceso de transferencia de calor reversible, el cual continúa hasta que el émbolo alcanza el estado 4. La cantidad de calor rechazado del gas durante este proceso es QL

compresión adiabática reversible: (proceso 4-1, la temperatura sube de TL a TH) El estado 4 es tal que cuando se elimina el depósito de baja temperatura se coloca el aislamiento de nuevo en la cabeza del cilindro y se comprime el gas de manera reversible, entonces el gas vuelve a su estado inicial (estado 1). La temperatura sube de TL a TH durante este proceso de compresión adiabático reversible, que completa el ciclo.

Ciclo de carnot inverso

El ciclo de la máquina térmica de Carnot recién descrito es totalmente reversible por lo tanto todos los procesos que abarca se pueden invertir, en cuyo caso se convierte en el ciclo de refrigeración de Carnot. Esta vez, el ciclo es exactamente el mismo excepto que las direcciones de las interacciones de calor y trabajo están invertidas: el calor en la cantidad QL se absorbe de de un depósito a baja temperatura, el calor en la cantidad QH se rechaza hacia un deposito a alta temperatura, y se requiere una cantidad de trabajo W neto, entrada para completar todo esto.

El principio de carnot:

La segunda ley de la termodinámica restringe la operación de dispositivos cíclicos según se expresa mediante los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius. Una máquina térmica no puede operar intercambiando calor con un solo sito, y un refrigerador no puede funcionar sin una entrada neta de energía de una fuente externa.

Se pueden obtener valiosas conclusiones a partir de estos enunciados: dos de éstas son sobre la eficiencia térmica de máquinas reversibles e irreversibles (es decir, reales) y se conocen como principios de Carnot (Fig. 2)

1. La eficiencia de una máquina térmica irreversible es siempre menor que la eficiencia de una máquina reversible que opera entre los mismos dos depósitos.

2. Las eficiencias de las máquinas térmicas reversibles que operan entre mismos dos depósitos son las mismas.

Estos dos enunciados se pueden comprobar mediante la demostración de que la violación de cualquiera de éstos da como resultado la violación de la segunda ley de la termodinámica.

Para comprobar el primer enunciado, considere dos máquinas térmicas que operan entre los mismos depósitos, como se ilustra en la figura 3 una es reversible y la otra irreversible. Después a cada máquina se le suministra la misma cantidad de calor QH. La cantidad de trabajo producida por la máquina térmica reversible es Wrev, y la que produce la irreversible es Wirrev,

Figura 3 Comprobación del principio de carnot

Violando el primer principio de Carnot, se supone que la máquina térmica irreversible es más eficiente que la reversible (es decir, N ter, irrev > N ter, rev) por lo tanto entrega más trabajo que la reversible. Ahora se invierte la máquina térmica reversible y opera como refrigerador, el cual recibirá una entrada de trabajo de Wrev y rechazará calor hacia el depósito de alta temperatura. Como el refrigerador está rechazando calor en la cantidad de QH hacia el depósito

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