CICLO DE CARNOT

Este ciclo fue ideado por el francés Sadi Carnot en 1824 para analizar el elevado rendimiento de las locomotoras británicas. El llamado motor de Carnot trabaja cuando le damos una cantidad de calor Q_ENTRA desde una fuente a alta temperatura y le eliminamos un calor Q_SALE hacia otra fuente a baja temperatura, produciendo un trabajo W. El rendimiento viene definido, como en todo proceso cíclico, por:

Las etapas de este motor imaginario serían las siguientes:

- En el proceso A-B le damos calor al aire del cilindro, manteniendo la temperatura constante e igual a la de la fuente a alta temperatura T_A. Esto provoca un aumento de volumen y de presión, por lo cual, todo el calor transferido es convertido en trabajo.

- En el proceso B-C se permite una expansión adiabática sin intercambio de calor con el exterior, a fin de disminuir la temperatura y a costa de perder presión.

- En el proceso C-D se pone en contacto el sistema con la fuente de calor a baja temperatura T_B 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.

- Por último, en el proceso D-A se mantiene aislado térmicamente el sistema mientras se comprime, con lo cual aumenta su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema.

Analizando los valores del calor que entra y que sale, se demuestra que la expresión del rendimiento se transforma en (con las temperaturas T_A y T_B expresadas en grados Kelvin):

y de esta expresión se deducen dos consecuencias:

1. El rendimiento de Carnot sólo depende de las temperaturas máxima y mínima que se alcanzan en el ciclo.

2. El rendimiento es tanto mayor cuanto más elevada es la temperatura alta y cuanto menor es la tempreratura baja.

Estas consecuencias permitieron al físico corroborar por qué las máquinas de vapor tenían mejor rendimiento cuanto mayor temperatura alcanzaran, mejorando su funcionamiento en Francia con el uso del carbón en lugar de la leña. Además, Carnot enunció otros dos principios:

- No existe ninguna máquina que genere trabajo de forma contínua si sólo le damos energía calorífica y no la refrigeramos. Este principio es una de las definiciones de la llamada segunda ley de la Termodinámica.

- No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos temperaturas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot.