CICLO DE CARNOT

Ciclo de Carnot

Es un ciclo termodinámico que se produce en un equipo o máquina térmica tendría la máxima eficiencia cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de una fuente de mayor temperatura y cediendo un calor Q2 a la de menor temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior.

El rendimiento de este ciclo viene definido por:

   N = Eficacia energética

 Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot

El teorema de Carnot

• El teorema de Carnot fue postulado por primera vez a comienzos del siglo XIX por el físico francés Sadi Carnot. En el año de 1824 Carnot, quien formaba parte del ejército francés, publicó un libro en el que propuso la respuesta a la siguiente cuestión: ¿bajo qué condiciones una máquina térmica tiene la máxima eficiencia? Carnot estableció entonces lo siguiente:

• Ningún motor térmico funcionando entre dos depósitos térmicos es más eficiente que el motor de Carnot.

• El rendimiento η de un motor térmico viene dado por el cociente entre el trabajo realizado W y el calor absorbido Q:

• Rendimiento = trabajo realizado/calor absorbido

• De esta forma, el rendimiento de un motor térmico cualquiera I es: η = W/Q. Mientras que el rendimiento de un motor de Carnot R es η´ = W/Q´, en el supuesto de ambos motores sean capaces de realizar el mismo trabajo.

• El teorema de Carnot afirma que η nunca es mayor que η´. De lo contrario se cae en contradicción con la segunda ley de la Termodinámica, según la cual es imposible un proceso en el cual el resultado sea que salga calor de un cuerpo de menor temperatura para ir a otro de mayor temperatura sin recibir ayuda externa. Por lo tanto:

η < η‘

Etapas del ciclo de Carnot

• El análisis se efectúa mediante un diagrama P-V (Presión –Volumen), tal como se muestra en la figura 2 (figura derecha). El objetivo del motor puede ser mantener frío el depósito térmico 2, extrayendo calor de él. En este caso se trata de una máquina refrigerante. Si por el contrario se quiere ceder calor al depósito térmico 1 entonces se trata de una bomba de calor.

• En el diagrama P-V se muestran los cambios de presión – temperatura del motor bajo dos condiciones:

• Manteniendo la temperatura constante (proceso isotérmico).

• Sin transferencia de calor (aislamiento térmico).

• Los dos procesos isotérmicos necesitan ser conectados, lo cual se logra mediante aislamiento térmico.

ABCDA (CICLO DE CARNOT)

PRIMERA ETAPA, PROCESO AB (EXPANSIÓN ISOTERMA)

Se absorbe calor del foco caliente y el gas se expande; Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T₁ y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1.ª ley de la termodinámica se observa que todo el calor transferido es convertido en trabajo:

-          La temperatura entre los puntos A y B es T₁. El sistema absorbe calor del depósito térmico 1 y sufre una expansión isotérmica. Entonces el volumen aumenta y la presión disminuye.

-          Sin embargo, la temperatura se mantiene en T₁, puesto que cuando el gas se expande se enfría. Por tanto, su energía interna se mantiene constante.

SEGUNDA ETAPA, PROCESO BC (EXPANSIÓN ADIABÁTICA)

La temperatura se enfría y el gas sigue expandiéndose, Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T₂ en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso:

En el punto B el sistema comienza una nueva expansión en la cual el sistema no gana ni pierde calor. Esto se consigue poniéndolo en aislamiento calórico como se ha indicado antes. Por lo tanto, es una expansión adiabática que prosigue hasta el punto C siguiendo la flecha roja. El volumen aumenta y la presión disminuye hasta llegar a su valor más bajo.

TERCERA ETAPA, PROCESO CD (COMPRESIÓN ISOTERMA)

Libera calor al sumidero y el gas se comprime; Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T₂ y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema: (le sacamos calor al sistema para que nos resulte una temperatura constante)

Comienza en el punto C y finaliza en D. Se retira el aislamiento y el sistema entra en contacto con el depósito térmico 2, cuya temperatura T₂ es menor. El sistema cede calor de desecho al depósito térmico, la presión comienza a aumentar y el volumen a disminuir.

CUARTA ETAPA, PROCESO DA (COMPRESIÓN ADIABÁTICA)

 La temperatura aumenta y el gas se sigue comprimiéndose, Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema; Llegado al punto D, el sistema pasa nuevamente a aislamiento térmico, la presión aumenta y el volumen disminuye hasta llegar nuevamente a las condiciones originales del punto A. Entonces el ciclo se repite nuevamente.

aplicaciones

UN PISTÓN EN EL INTERIOR DE UN CILINDRO

• Si el sistema es un pistón encerrado en un cilindro como en la figura 4, el pistón sube durante la expansión isotérmica, como se aprecia en el primer esquema de la extrema izquierda y asimismo sube durante la expansión adiabática.

• Luego se comprime isotérmicamente, cediendo calor, y sigue comprimiéndose adiabáticamente. El resultado es un movimiento en que el pistón sube y baja en el interior del cilindro y que puede transmitirse hacia otras partes de un dispositivo en particular, como un motor de automóvil por ejemplo, que produce un par, o bien una máquina de vapor.

•  Se maneja mucho en termodinámica.

DIVERSOS PROCESOS REVERSIBLES

Además de la expansión y compresión de un gas ideal en el interior de un cilindro, existen otros procesos reversibles ideales con los que se puede configurar un ciclo de Carnot, por ejemplo:

•– Movimientos de ida y vuelta en ausencia de rozamientos.

•– Un resorte ideal que se comprime y descomprime y que nunca se deforma.

•– Circuitos eléctricos en los que no hay resistencias que disipen la energía.

•– Ciclos de magnetización y desmagnetización en los que no existan pérdidas.

•– Carga y descarga de una batería.

Para mas aclaración sobre este ciclo , podrás navegar los siguientes vídeos...