02-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_A desde una fuente a alta temperatura y le eliminamos un calor Q_B 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 (pulsa sobre la imagen para ver la animación):

- 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 del gas y el desplazamiento de la varilla. Como no hay variación de temperatura, todo el calor transferido es convertido en trabajo útil.

- En el proceso B-C, manteniendo el gas aislado para que no haya intercambio de calor con el exterior, permitimos que disminuya la presión del interior hasta que se iguale con la presión atmosférica. Con esto disminuye la temperatura en un proceso adiabático, y obtenemos trabajo.

- En el proceso C-D se pone en contacto el sistema con la fuente de calor a baja temperatura T_B y empujamos la varilla para reducir el volumen del gas. Éste va cediendo calor a la fuente fría, y como no cambia su temperatura, tampoco lo hace la energía interna. Todo el trabajo que hacemos sobre el sistema se elimina mediante la cesión de calor.

- Por último, en el proceso D-A se vuelve a mantener 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.

Para saber más:

Animated engines

Ciclo Stirling