El ciclo de Carnot, que consiste en dos cambios de estado isotérmicos y adiabáticos, representa los "ciclos" de un motor térmico de trabajo ideal. Aquí, el fluido de trabajo se considera un gas ideal y se supone que el proceso es reversible.

1er ciclo: al absorber calor se produce una expansión isotérmica. Está hecho el trabajo.

2.a barra: la expansión adiabática reduce la temperatura. Esto es hecho por las obras de gas, su energía interna disminuye.

3ª barra: se debe trabajar para la compresión isotérmica. El calor resultante se libera al medio ambiente.

4.a barra: por compresión adiabática, la temperatura aumenta y, por lo tanto, vuelve a alcanzar el estado inicial.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, el trabajo mecánico entregado es igual al cambio de calor en el sistema. El área delimitada por las curvas de estado es una medida del trabajo de salida.

La conversión del calor en trabajo mecánico es de gran importancia económica. Sin embargo, este proceso cambia cualitativamente la forma de la energía para que pueda usarse directamente en los procesos de producción. Se acepta que parte de la energía interna disponible es necesaria para la conversión. Cuán grande es esta participación y cómo se puede reducir fue y es un tema central en la construcción de motores de calefacción .

Las primeras máquinas para convertir la energía térmica en energía mecánica eran las máquinas de vapor. En ellos, el vapor de agua utilizado como fluido de trabajo se transfiere sucesivamente a condiciones recurrentes. Tal proceso, en el cual el estado inicial siempre se alcanza de nuevo, se llama proceso circular,

El funcionamiento de las máquinas de vapor fue el modelo para las investigaciones teóricas del ingeniero y físico francés SADI CARNOT (1796-1832). En su famosa obra, "Reflexiones sobre el poder del fuego en movimiento y las máquinas que se ajustan a ese poder", mostró

• por qué una máquina de vapor puede hacer trabajo mecánico y

• por lo cual se determina su eficiencia.

ÉMILE CLAPEYRON (1799-1864), un amigo de la escuela de S. CARNOT, presentó el ciclo de la máquina de vapor con dos isotermas y adiabáticos en un diagrama pV (Fig. 1). El vapor se considera como un gas ideal y se supone que el control del proceso es reversible. Este ciclo se conoce hoy como ciclo de carnotscher. Es adecuado para explicar cómo funcionan los convertidores de energía. También es el ciclo que tiene la mayor eficiencia .

CARNOT examinó el proceso descrito más de cerca. Un motor térmico que se somete a dicho ciclo también se denomina máquina CARNOT . CARNOT dividió el ciclo en cuatro subprocesos. Se muestran en detalle en la Figura 2 y se explican a continuación:

(1) Expansión isotérmica : en el punto de partida A, el gas utilizado como fluido de trabajo tiene

ö

Para realizar una expansión isotérmica, es decir, un aumento en el volumen a una temperatura constante, el gas debe calentar ser provisto Esto se toma de un almacenamiento de calor exterior caliente. Durante la transición al estado B, el gas aumenta su volumen. Hay trabajo hecho Esto reduce la presión.

La ecuación de estado para la expansión isotérmica de un gas ideal es:

El calor suministrado para el cambio de estado es

(2) Expansión adiabática : en el punto B, el suministro de calor se detiene. El gas continúa expandiéndose y se enfría a la temperaturade. En el estado C, el gas alcanza la presión más baja y su mayor volumen. El trabajo realizado aquí conduce a una reducción de la energía interna del gas. El pistón está en el punto de inversión.

La ecuación de estado de la expansión adiabática del gas ideal es

(3) Compresión isotérmica : al pasar de C a D, se convierte en temperatura constanteel volumen del gas reducida. Esto aumenta la presión. El trabajo debe ser gastado en este subproceso. El calor resultantese descarga a un almacenamiento de calor externo frío (el medio ambiente).

La ecuación de estado de la compresión isotérmica del gas ideal es:

El calor resultante es:

(4) Compresión adiabática : en el punto D es el caloremitida. El gas se comprime aún más hasta que se alcanza el volumen inicial. En este subproceso, la presión aumenta y la temperatura aumenta nuevamente, Para la realización de este subproceso también se debe gastar el trabajo, lo que aumenta la energía interna del gas. El pistón está en el segundo punto de inversión, el punto de partida A.

La ecuación para la compresión adiabática es:

En el caso de cambios en el estado adiabático, se produce un cambio en la energía interna del gas, lo que conduce a una reducción o a un aumento de la temperatura.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, el trabajo mecánico de salida W es igual al cambio de calor en el sistema. El trabajo W entregado al exterior resulta de la diferencia entre el calor suministrado y emitido en los procesos parciales isotérmicos:

Se aplica al calor porque la expansión isotérmica ocurre a temperaturas más altas que la compresión isotérmica.

Esta es la razón por la cual los motores de vapor, los motores de combustión interna y otros motores térmicos son capaces de realizar trabajos mecánicos. El área delimitada por las isotermas y adiabáticos es una medida de la salida de trabajo hacia el exterior. Se puede cambiar aumentando las diferencias de temperatura y volumen.

Cuán grande es la eficiencia del ciclo de Carnot, también se puede determinar. La eficiencia es la relación entre el trabajo mecánico entregado W y el calor suministrado,

Al insertar las cantidades correspondientes en la ecuación para la eficiencia, obtenemos:

Para el proceso que se supone reversible, el gas ideal en el ciclo de Carnot es:

Las relaciones de los volúmenes se pueden determinar a partir de las ecuaciones de estado de los subprocesos. Es:

Para la eficiencia de una máquina CARNOT, esto da como resultado:

Por lo tanto, depende solo de la diferencia de temperatura del flujo del proceso. Dado que no hay procesos totalmente reversibles en la naturaleza y en la tecnología, esta es la mayor eficiencia posible que se puede lograr en la conversión de energía térmica a mecánica.

Ejemplo: Una máquina de vapor cuyo almacenamiento de calor caliente contiene agua hirviendo a una presión estándar de 373 K y cuyo almacenamiento de calor frío contiene agua helada de 273 K, por lo tanto tiene una eficiencia de:

Ese es un valor sorprendentemente bajo. Para aumentar este valor, se debe aumentar la diferencia de temperatura. Técnicamente, esto se logra al sobrecalentar el vapor de agua a más de 500 K. El agua se lleva a ebullición a alta presión y el vapor resultante se introduce a una presión correspondientemente alta en la turbina de vapor. Como resultado, se logran eficiencias de hasta el 45% en las plantas de energía en la producción de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles.

Las eficiencias de los motores de combustión interna que se utilizan para vehículos (motores diesel, motores de gasolina) son generalmente mucho más bajas.