Ciclo De Carnot

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot se produce cuando una máquina trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por

y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentesde temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.
Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría sedenomina máquina frigorífica, y si es aportar calor a la fuente caliente, bomba de calor.

Esquema de una máquina de Carnot. La máquina absorbe calor desde la fuente caliente T1 y cede calor a la fría T2 produciendo trabajo.

La máquina funciona así:
1) Expansión isotérmica. Se parte de una situación en que el gas ocupa el volumen mínimo Vmin y se encuentra a la temperatura T2 y la presión esalta. Entonces se acerca la fuente de calor de temperatura T2 al cilindro y se mantiene en contacto con ella mientras el gas se va expandiendo a consecuencia de la elevada presión del gas. El gas al expandirse tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y así mantiene su temperatura constante durante esta primera parte de la expansión. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre elpistón que se transfiere al movimiento circular. La temperatura del gas permanece constante durante esta parte del ciclo, por tanto no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo. 
dQ1 = dW1 >= 0 , dU1 = 0
2) Expansión adiabática. La expansión isotérmica termina en un punto preciso tal que el resto de la expansión, que se realiza adiabáticamente (es decir sinintercambio de calor, el cilindro se mantiene   totalmente aislado de cualquier fuente de calor), permite que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T1 en el momento en que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas su alcanza su volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energía interna.
dQ2 = 0 , dU2 = dW2 >=0
3) Compresión isotérmica. Se pone la fuente de calor de temperatura T1 en contacto con el cilindro y el gas comienza a comprimirse pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría T2. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas, pero como la temperatura permanece constante, la energía interna del gas no cambia y por tanto ese trabajo es absorbido en formade calor por la fuente T1. 
dQ3 = dW3 <= 0 , dU3 = 0
4) Compresión adiabática. La fuente T1 se retira en el momento adecuado para que durante el resto de la compresión el gas eleve su temperatura hasta alcanzar exactamente el valor T2 al mismo tiempo que el volumen del gas alcanza su valor mínimo Vmin. Durante esta etapa no hay intercambio de calor, por eso se llama compresión adiabática, yse realiza un trabajo sobre el gas todo el cual se convierte en energía interna del gas. 
dQ4 = 0 , dU4 = dW4 <= 0

TEOREMAS DE CARNOT
1. No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas fuentes térmicas.
Para demostrarlo supondremos que no se cumple el teorema, y se verá que el nocumplimiento transgrede la segunda ley de la termodinámica. Tenemos pues dos máquinas, una llamada X y otra, de Carnot, R, operando entre las mismas fuentes térmicas y absorbiendo el mismo calor de la caliente. Como suponemos que, y por definición
, donde y denotan el trabajo producido y el calor cedido a la fuente fría respectivamente, y los subíndices la máquina a la que se refieren.
Como...