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| Locomotora ejemplo clásico de motor a vapor. Imagen de Railnews |
Definición del Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico que se lleva a cabo en una máquina o equipo que absorbe energía térmica (calor Q1) desde una fuente de alta (fuente con una mayor temperatura) y otorga energía térmica (calor Q2) a una fuente de baja (fuente con menor temperatura). Todo este flujo de energía tiene como objetivo producir un trabajo sobre el exterior. |
| Intercambio térmico en el ciclo de Carnot. Imagen de Uwindsor |
Este tipo de ciclo termodinámico es el que tiene mayor rendimiento entre las máquinas que producen trabajo a partir de fuentes de temperatura. Dicho rendimiento viene dado por la ecuación:
Cualquier equipo o máquina que ejecute el ciclo de Carnot se conoce como Máquina de Carnot. Las Máquinas de Carnot, tienen la particularidad de poder funcionar en sentido inverso, ya que representan un ciclo reversible. Debido a esta característica, pueden extraer calor de la fuente de baja temperatura, otorgando calor a la fuente de alta temperatura o al medio ambiente, lo que se conoce como máquina frigorífica. Asimismo, para que estas máquinas funcionen debe suministrarse trabajo del exterior.
Mientras la segunda ley de la termodinámica indica que todo el calor suministrado a una máquina térmica puede ser utilizado para generar trabajo, la eficiencia de Carnot establece un valor límite de la fracción de calor que puede utilizarse para tal fin. Por ello, para poder acercarse a esta eficiencia los procesos que intervienen en este tipo de ciclo deben ser reversibles y no generar cambios finales en la entropía. Por lo tanto, el ciclo de Carnot es considerado un ciclo ideal, ya que no existen procesos reales reversibles y que no generen un aumento general de la entropía.
Etapas del Ciclo de Carnot
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| Las cuatro etapas del ciclo de Carnot. Imagen de Uwindsor |
El ciclo de Carnot cuenta con cuatro etapas, dos de ellas son transformaciones isotérmicas (a temperatura constante), y las otras dos son transformaciones adiabáticas (aisladas de su entorno, es decir, sin intercambio térmico con los alrededores). Dichas etapas las describiremos a continuación:
Expansión isotérmica (desde el punto termodinámico A hasta el punto termodinámico B)
Como su nombre lo indica, en esta transformación el gas que se encuentra dentro del cilindro pistón originalmente ocupa un volumen mínimo dentro del cilindro, absorbiendo el calor de la fuente térmica a una temperatura constante (T1) hasta que ocupa el mayor volumen posible dentro del cilindro, elevando el pistón lo máximo que se pueda.Cabe destacar, que durante la expansión el gas tiende a enfriarse, sin embargo, al seguir absorbiendo calor de la fuente térmica mantiene su temperatura constante. Asumiendo que el modelo de gas es ideal y que la transformación es isotérmica, se deduce que la energía interna tampoco experimenta cambios, así como también, la energía potencial y cinética.
Partiendo de la primera ley de la termodinámica, tenemos que el calor (QAB) que se absorbe del punto A al punto B es mayor a cero:
0 = QAB - WAB
QAB = WAB
Lo que nos permite deducir que el trabajo (WAB) es mayor a cero y con la misma magnitud que el calor que se transfiere en esta etapa. La entropía aumenta durante esta etapa ya que es reversible y viene dada por la ecuación:
Expansión adiabática (Desde el punto termodinámico B hasta el punto termodinámico C)
En esta transformación se experimenta una mayor expansión del gas, esta vez sin presentar un intercambio térmico con el entorno, debido a un aislamiento del sistema con sus alrededores. En esta etapa del ciclo, el gas comienza a enfriarse, disminuyendo su temperatura hasta alcanzar T2, justo en ese momento se alcanza el volumen máximo del gas. Así, disminuye la energía interna y la entropía se mantiene constante al no experimentar intercambio de energía térmica con el ambiente. Aplicando el balance de energía, tenemos la siguiente ecuación:UBC = - WBC
Compresión isotérmica (desde el punto termodinámico C hasta el punto termodinámico D)
En esta etapa del ciclo, el sistema vuelve a interactuar con los alrededores. Es una etapa no aislada con el entorno, permitiendo un intercambio térmico con éste y manteniendo la temperatura constante (T2), mientras el gas se comprime.  |
| Funcionamiento del ciclo de Carnot. Imagen de Chem |
Para mantener esta condición de temperatura, el sistema cede calor a los alrededores (fuente de baja temperatura), y al no cambiar la temperatura, la energía interna no presenta cambios. Luego de aplicar el balance de energía, la ecuación queda de la siguiente manera:
WCD = QCD
Siendo: WCD y QCD < 0
Al tener signo negativo el calor, la entropía disminuye, quedando expresada de la siguiente forma:
Compresión adiabática (desde el punto termodinámico D hasta el punto termodinámico A)
En esta etapa, se vuelve a aislar el sistema del entorno para evitar intercambio térmico con los alrededores, continuando la compresión del gas y elevando la temperatura de éste hasta la temperatura de la condición inicial del ciclo (T1). Luego de aplicar el balance de energía, la ecuación se reduce a:WDA = QDA
Siendo: WDA y QDA > 0
Al no tener intercambio térmico con los alrededores, la entropía se mantiene constante.
Estas son las cuatro etapas del ciclo de Carnot, siendo un aporte sumamente importante para la explicación de las máquinas térmicas. Por otro lado, aunque en la realidad los procesos tienden a ser irreversibles, puede utilizarse el concepto del ciclo de Carnot (reversible), asumiendo procesos cuasi estáticos y sin efectos disipativos. En estos procesos cuasi estáticos, la desviación del equilibrio termodinámico tiende a ser infinitesimal, es decir, el tiempo del proceso tiende a ser mayor al tiempo de relajación (tiempo que transcurre desde que se altera el equilibrio termodinámico, hasta que se recupera).
Ciclo de Carnot by Ing. Bulmaro Noguera is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License
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