Ciclo de clausius

EL CICLO DE CARNOT Y EL TEOREMA DE CLAUSIUS

EL CICLO DE CARNOT Y EL TEOREMA DE CLAUSIUS

El Segundo Principio de la Termodinámica nos dice que todos los procesos de la Naturaleza son irreversibles. Si analizamos someramente los procesos naturales, todos presentan al menos una de estas dos características: a) No quedan en absoluto satisfechas las condiciones de equilibrio mecánico, químico otérmico, es decir, de equilibrio termodinámico, b) Se producen siempre efectos de disipación energética, viscosidad, resistencia eléctrica, etc.. Solamente si un proceso se realiza quasi-estáticamente pasaría por una serie de estados de equilibrio termodinámico de modo que el trabajo que realiza puede recibirlo en el proceso inverso. Para que un proceso pueda, pues, considerarse reversible ha decumplir en definitiva: primero, que sea cuasi-estático, y, segundo, que no se desarrollan en el mismo efectos de disipación energética. Cuando pretendemos crear un motor que funcione entre dos focos caloríficos, sabemos, por el Enunciado de Kelvin-Planck del Segundo Principio de la Termodinámica, que ha de tomar calor del foco caliente para realizar trabajo, pero, siempre, ha de ceder algo de caloral foco frío. Y el rendimiento del motor viene relacionado con la cantidad de calor que absorbe del foco caliente y la que cede al foco frío. Las preguntas que nos hacemos, y que también se hizo en su día el francés Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796-1832), son ¿Cuál es el máximo rendimiento que puede obtenerse de un motor funcionando entre dos focos?, ¿Cuáles son las características?, ¿ dependede la sustancia con la que el motor funciona?. Carnot describió en 1824, en su artículo "Sur la puissance motrice du feu", cuando tenía 28 años, un motor ideal reversible que funcionaba con el rendimiento máximo en un ciclo muy sencillo, formado por dos tramos isotérmicos y dos adiabáticos, ciclo que hoy día se conoce como El Ciclo de Carnot.

Carnot

Clausius

Desde el concepto de Ciclo deCarnot el matemático y físico alemán Rudoff E. Clausius (1822-1888) pudo probar en 1850 un teorema fundamental para el desarrollo posterior de la Termodinámica, que permitió establecer matemáticamente el concepto de Entropia.

DIVULGACION DE LA FÍSICA EN LA RED

MARZO 2004

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EL CICLO DE CARNOT Y EL TEOREMA DE CLAUSIUS

CARLOS S. CHINEA

1. UN CICLO IDEAL. EL CICLO DE SADI CARNOT: Ladefinición del Ciclo: El Ciclo llamado de Carnot es un ciclo reversible que consta de cuatro tramos: dos a temperatura constante (dos procesos isotérmicos), y otros dos sin absorción ni cesión de calor (dos procesos adiabáticos). Es decir, se trata de una transformación bitérmica (entre dos temperaturas). El rendimiento teórico: Como en todas las transformaciones bitérmicas, el rendimiento vienedado por

Re =

W Q1

Donde W representa el trabajo producido durante la transformación y Q1 el calor que absorbe del foco caliente. Puesto que no hay variación de energía interna, por tratarse de un proceso cíclico, se tiene que por el Primer Principio de la Termodinámica es W= ∆U+∆Q=0+∆Q, es decir, se tiene que W=Q1-Q2 .

Re =

Q − Q2 Q W = 1 =1− 2 Q1 Q1 Q1

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2. EL CICLO DECARNOT DE UN GAS PERFECTO: Cuando el sistema que evoluciona en un Ciclo de Carnot es un gas ideal, tanto el calor absorbido como el calor cedido se puede determinar muy fácilmente, puesto que sabemos que en las transformaciones isotermas se verifica que el trabajo necesario para una expansión viene dado por la relación

también sabemos que cuando no hay transvase de calor se verifica la relacióntemperatura-volumen dada por

W = n.R.T .ln v v  . y    0

T .V γ − 1 = const.

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CARLOS S. CHINEA

Esto quiere decir, analizando los cuatro tramos del Ciclo de Carnot para este tipo de sistema gaseoso: Primer proceso: Expansión isotérmica a temperatura T1 absorviendo calor Q , con 1...