¿Qué es el ciclo de Carnot?

Para hablar del ciclo de Carnot primero debemos hablar de máquinas térmicas. Un a máquina térmica es un dispositivo que opera en ciclos y el fluido de trabajo con el que opera regresa al estado inicial una vez concluido el ciclo. Durante una parte del ciclo el fluido es el que realiza trabajo y en otra se realiza trabajo sobre él. La diferencia entre estos trabajos es el trabajo neto que realiza la máquina. La eficiencia de la máquina depende mayormente de cómo se ejecuten cada una de las etapas que componen el ciclo. Para maximizar la eficiencia del ciclo, es decir que aumente el trabajo neto que entrega la máquina, se requieren procesos que entreguen la mayor cantidad de trabajo y que consuman el mínimo. A este tipo de procesos se les llama procesos reversibles. De esta manera los ciclos reversibles son los más eficientes y estos se componen de procesos reversibles.

Un proceso reversible se define como:

“Un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores del sistema”

Esto se refiere a que tanto el sistema como los alrededores vuelven a su estado inicial después de concluido el proceso inverso. Esto solo es posible solo si el intercambio de trabajo y calor neto entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado.

pendulo

Como es evidente en la práctica es imposible lograr ciclos reversibles ya que no se pueden eliminar las irreversibilidades relacionadas con cada uno de los procesos que componen el ciclo. Los ciclos reversibles proporcionan límites superiores a los límites reales cuando se habla de desempeño. Los modelos teóricos para maquinas térmicas y refrigeradores tienen un punto de comparación los modelos de ciclos de reversibles. Con esto se puede concluir que los ciclos reversibles sirven como punto de partida para el desarrollo de ciclos reales, claro, adecuándose a los requerimientos necesarios.

Una vez explicado esto podemos hablar enteramente del ciclo de Carnot. Éste es un ciclo termodinámico y fue propuesto en 1824 por el ingeniero de origen francés Sadi Carnot (París, 1 de junio de 1796 – 24 de agosto de 1832). La máquina térmica que opera con el ciclo de Carnot se llama máquina térmica de Carnot.

El ciclo de Carnot se compone de cuatro etapas o procesos reversibles en su totalidad dos isotérmicos y dos adiabáticos, los cuales se pueden llevar a cabo en un sistema de flujo estacionario o en un sistema cerrado. Para mostrar gráficamente el ciclo de Carnot se considerará un sistema cilindro-émbolo adiabático (cuando se habla de un sistema adiabático, se hace referencia a un sistema que no intercambia calor con los alrededores), para esto se supone que el aislamiento de la cabeza del cilindro se puede eliminar de tal modo que quede en contacto con depósitos que le brinden transferencia de calor.

Dichos procesos son:

  • Expansión isotérmica reversible: Este proceso se hace a temperatura constante . La cabeza del émbolo se encuentra en contacto por un lado con un gas a una temperatura y por el otro con una fuente de energía con temperatura . El gas se empieza a expandir dentro del cilindro mientras efectúa trabajo sobre los alrededores, al hacerlo la temperatura del gas disminuye una diferencia infinitesimal , pero al hacerlo el depósito de energía suministra calor de modo que la temperatura se eleva. Debido a esto la diferencia temperatura entre el depósito y el gas no excede el  haciendo a éste un proceso reversible de transferencia de calor. El émbolo alcanza la posición 2. A la cantidad de energía suministrada durante este proceso se le llamará  .
  • Expansión adiabática reversible: En este proceso la temperatura disminuye de a . En este estado el depósito de energía es eliminado y se sustituye por un aislamiento haciendo al sistema adiabático. Mientras tanto el gas sigue expandiéndose y realiza trabajo sobre los alrededores hasta que su temperatura disminuye de  a . El émbolo no experimenta fricción alguna por lo que el proceso se realiza en cuasiequilibrio haciendo al proceso además de reversible, adiabático.
  • Rechazo de calor isotérmico: En este proceso la temperatura permanece constante La cabeza del émbolo se pone en contacto con un sumidero de temperatura a , una fuerza externa mueve al cilindro hacia el interior realizando trabajo sobre el gas. Conforme el gas se comprime su temperatura aumenta una cantidad diferencial   transfiriéndose al sumidero de energía provocando que la temperatura del gas disminuya a . Como la diferencia de temperatura entre el sumidero y el gas nunca excede  este es un proceso reversible de transferencia de calor. A la cantidad de energía rechazada durante este proceso se le llamará
  • Compresión adiabática reversible: En este proceso la temperatura aumenta de a . En este proceso se elimina el sumidero de energía y se coloca de nuevo el aislamiento en la cabeza del cilindro comprimiendo el gas de manera reversible haciendo que vuelva al estado inicial. La temperatura sube de  a  durante un proceso que además de reversible, es adiabático.carnot

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