termodinamica

Ciclo de Carnot
Teoría:
En 1824 el ingeniero francés Sadi Carnot estudió la eficiencia de las diferentes máquinas térmicas que trabajan transfiriendo calor de una fuente de calor a otra y concluyó que las más eficientes son las que funcionan de manera reversible. Para ello diseñó una máquina térmica se conoce como la máquina de Carnot y su funcionamiento se llama el ciclo de Carnot.
El ciclode motor térmico más eficiente es el ciclo de Carnot, consistente en dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. El ciclo de Carnot se puede considerar como, el ciclo de motor térmico más eficiente permitido por las leyes físicas. Mientras que la segunda ley de la termodinámica dice que no todo el calor suministrado a un motor térmico, se puede usar para producir trabajo, la eficiencia deCarnot establece el valor límite de la fracción de calor que se puede usar.
Con el fin de acercarse a la eficiencia de Carnot, los procesos que intervienen en el ciclo del motor de calor deben ser reversibles y no implican cambios en la entropía. Esto significa que el ciclo de Carnot es una idealización, ya que no hay procesos de motores reales que sean reversibles y todos los procesos físicosreales implican un cierto aumento de la entropía.
Las temperaturas en la expresión de la eficiencia de Carnot deben darse en ºKelvins.
Diagrama:


Etapas del ciclo:
Para un sistema de este tipo los cuatro pasos son los siguientes:
Expansión isoterma C→D
El gas se pone en contacto con el foco caliente a Tc y se expande lentamente. Se extrae trabajo del sistema, lo que provocaría unenfriamiento a una temperatura ligeramente inferior a Tc, que es compensado por la entrada de calor Qc desde el baño térmico. Puesto que la diferencia de temperaturas entre el baño y el gas es siempre diferencial, este proceso es reversible. De esta manera la temperatura permanece constante. En el diagrama pV, los puntos de este paso están sobre una hipérbola dada por la ley de los gases idealesExpansión adiabática D→A
El gas se aísla térmicamente del exterior y se continúa expandiendo. Se está realizando un trabajo adicional, que ya no es compensado por la entrada de calor del exterior. El resultado es un enfriamiento según una curva dada por la ley de Poisson
      
Compresión isoterma A→B
Una vez que ha alcanzado la temperatura del foco frío, el gas vuelve a ponerse en contacto con elexterior (que ahora es un baño a temperaturaTf). Al comprimirlo el gas tiende a calentarse ligeramente por encima de la temperatura ambiente, pero la permeabilidad de las paredes permite evacuar calor al exterior, de forma que la temperatura permanece constante. Esta paso es de nuevo una hipérbola según la lay de los gases ideales.

Compresión adiabática B→C
El gas se vuelve a aislar térmicamentey se sigue comprimiendo. La temperatura sube como consecuencia del trabajo realizado sobre el gas, que se emplea en aumentar su energía interna. Los puntos de este camino están unidos por una curva dada por la ley de Poisson
      

Lo que vale para el ciclo de Carnot vale para todas las máquina térmicas reversible que operan entre solo dos focos térmicos. El rendimiento, para todas ellas, esigual a

Ejemplo:
Motor y frigorífico

Un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe un ciclo de Carnot. Trabaja entre dos focos, tomando calor Q1 del foco caliente a la temperaturaT1, produciendo un trabajo W, y cediendo un calor Q2 al foco frío a la temperatura T2.
En un motor real, el foco caliente está representado por la caldera de vapor que suministra el calor, el sistemacilindro-émbolo produce el trabajo  y se cede calor al foco frío que es la atmósfera.


La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso, denominándose entonces frigorífico. Se extraería calor Q2 del foco frío aplicando un trabajo W, y cedería Q1 al foco caliente.
En un frigorífico real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer un calor...