El Ciclo Carnot

El ciclo Carnot

El ciclo de Carnot no es otra cosa que un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, o también llamado gas ideal, un para absorber una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y ceder un calor Q2 a la fuente de baja temperatura. Por ser un proceso reversible, el ciclo puede invertirse, en ese caso la máquina absorbe calor de la fuente fría y sede calor a la fuente caliente.

El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por:

El η es mayor cuanto mayor sea T1 y menor sea T2 . Una caldera de calefacción tiene mejor rendimiento en invierno que en verano.

Es un ciclo teórico (ideal), no se puede ejecutar físicamente.

En un motor de gasolina (si el ciclo fuera reversible), podríamos mover el cigüeñal introduciendo los gases del tubo de escape y sintetizar la gasolina.

Procesos para el ciclo Carnot:

1-. Expansión isotérmica: En esta etapa el gas se encuentra en un primer momento a una temperatura Tc, ocupando un volumen mínimo y a una presión alta. Este gas es dirigido a un cilindro donde se expande producto de la alta presión, lo que tiende a disminuir su temperatura, pero se pone en contacto con la fuente de calor para mantenerla así constante. Como la energía interna no varia, toda la energía absorbida del foco caliente es completamente transformada en trabajo.

2-. Expansión adiabática: En esta etapa el ciclo se mantiene aislado de cualquier fuente de calor, permitiendo que el gas se enfríe hasta una temperatura Tc. En este momento el pistón llega hasta su punto final y el gas se encuentra con su volumen máximo. Durante esta etapa todo el trabajo proviene de la energía interna.

3-. Compresión isotérmica: En esta etapa se pone la fuente de energía Qh en contacto con el cilindro que contiene el gas, haciendo que este comience a expandirse, pero sin cambiar su temperatura, puesto que el calor es cedido al foco frío. Como la temperatura se mantiene constante, la energía interna no cambia, por tanto todo el trabajo es absorbido por en forma de calor por la fuente de energía Qc.

4-. Compresión adiabática: La fuente de energía Qc se retira para que el gas eleve su temperatura hasta llegar a Th, aquí el volumen del gas alcanza su valor mínimo. Como durante esta etapa no existe un intercambio de calor, por lo que el trabajo se convierte en energía interna.

● La máquina de Carnot:

La máquina de hipotética de Carnot es una máquina ideal que funciona en base al ciclo reversible de Carnot con una máxima eficiencia.

El funcionamiento de la máquina térmica explicado en forma sencilla es el siguiente: En el deposito (foco) caliente, el gas que producirá el trabajo aumenta su temperatura y presión, después será introducido a la máquina térmica donde se expandirá o sufrirá una combustión que empujara el embolo produciendo un trabajo mecánico, el resto de energía desecho será enviado al depósito frío con el fin de disminuir su temperatura y reanudar el ciclo.

Refrigerador de Carnot

Al ser un ciclo reversible, podemos invertir cada uno de los procesos y convertir la máquina de Carnot en un refrigerador. Este refrigerador extrae una cierta cantidad de calor | Qf | del foco frío, requiriendo para ello una cierta cantidad de trabajo | W |, arrojando una cantidad de calor | Qc | en el foco caliente.

El coeficiente de desempeño de un refrigerador reversible como el de Carnot es:

Ya que, como en la máquina de Carnot, la cantidad de calor intercambiada con cada foco es proporcional a la temperatura de dicho foco.

Para un refrigerador que trabaje entre una temperatura de 5°C y 22°C, este coeficiente de desempeño vale:

Este valor es el máximo que puede alcanzar un refrigerador real, aunque los valores prácticos del

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