Skip to content
10ciclo

Conoce el ciclo de carnot: caracteristicas, pasos y teorías

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot es un experimento diseñado a principios del siglo XIX por Nicolas Léonard Sadi Carnot y sentó las bases para el campo de la termodinámica. Comprende un pistón que puede ajustarse y que está expuesto a fuentes de calor y frío, o también está aislado térmicamente, es decir, puede protegerse contra el intercambio de calor.

Carnot no pretendía que este ciclo fuera puramente teórico como una descripción de los procesos de la máquina, sino que transfirió con ello el principio de causalidad. Fenómenos relacionados con el calor: dado que el ciclo es reversible, cada etapa puede verse como el único efecto de las otras etapas.

Por lo tanto, el ciclo de Carnot proporcionó una innovación importante en un momento en el que la traducción del calor y el trabajo mecánico entre sí, como ocurrió en las máquinas de vapor emergentes, no podía medirse ni representarse teóricamente.

Por primera vez, los fenómenos asociados con el calor podrían traducirse al lenguaje teórico establecido de la mecánica. Durante el siglo XIX, el Ciclo de Carnot se convirtió en un eje de la lucha académica por la calidez. Con su reformulación por William Thomson y Rudolf Clausius, formó la base para los problemas de conservación de energía y entropía.

Origen de la teoría

Nicolas Léonard Sadi Carnot introdujo un proceso teórico en su famosa obra “Réflexions sur la puissance motrice du feu” para estimar la energía máxima que puede liberar una máquina de vapor. Carnot propuso que una sustancia que se calienta, como el agua en la cascada, cae de un nivel alto a un nivel bajo, liberando la fuerza motriz.

Ciclo de Carnot
Máquina de vapor

“La fuerza de movimiento del agua que cae depende de su altura y la cantidad de fluido, y la fuerza de movimiento del calor también depende de la cantidad de calor que se aplica, y de lo que podríamos llamar altura y de lo que realmente hacemos. La diferencia de temperatura de los cuerpos, entre los cuales se produce el intercambio del material de calor “.

Hoy sabemos gracias a Carnot que entropía se refiere al calor, y energía a la fuerza en movimiento  El ciclo real de Carnot (ciclo de Carnot) se ejecuta entre dos reservas de calor de diferentes temperaturas y se alimenta con un gas ideal.

Ciclo de Carnot

Después de que se ha encontrado que estos puntos preliminares, nos imaginamos un fluido elástico, por ejemplo aire atmosférico en un recipiente cilíndrico abcd, con una partición o pistón móvil cd incluido; creemos que otros dos cuerpos A y B , cada uno con una temperatura constante, siendo la de A más alta que la de B. Ahora imaginamos la serie de operaciones que se describen a continuación.

El contacto del cuerpo A con el aire contenido en la habitación abcd, o con la pared de esta habitación, que asumimos permite que el calor pase fácilmente. El aire es en virtud de este contacto a la temperatura del cuerpo A; Sea cd la posición instantánea del pistón.

El pistón se eleva constantemente y toma la posición ef . Hay un contacto continuo entre el cuerpo A y el aire, por lo que el aire se mantiene durante la expansión a una temperatura constante. El cuerpo A suministra el calor necesario para mantener la temperatura constante.

Ciclo de Carnot
Pasos del Ciclo de Carnot

El cuerpo A se retira y el aire ya no está en contacto con un cuerpo que puede suministrar su calor; el pistón, mientras tanto, continúa su movimiento y se mueve desde la posición ef hasta la posición gh. El aire se diluye sin absorber el calor y su temperatura desciende. Suponemos que se hunde a la del cuerpo B; En este momento el pistón se detiene y está en gh .

El aire se pone ahora en contacto con el cuerpo B; se comprime aún más bajando el pistón al llevarlo desde la posición gh a la posición cd. Sin embargo, el aire permanece a una temperatura constante, ya que toca el cuerpo B, al que emite su calor.

Después de retirar el cuerpo B, continúa la compresión del aire, que en su estado aislado experimenta un aumento de la temperatura; la compresión continúa, el aire se expande, la temperatura del cuerpo A aumenta. El pistón se mueve durante este tiempo desde la posición cd hasta la posición ik.

El aire se pone en contacto con el cuerpo A; el pistón regresa de la posición ik a la posición ef; La temperatura se mantiene sin cambios.

Ciclo de Carnot
Ecuación del ciclo

Teoría

Los seis puntos de Carnot se pueden reducir a cuatro subprocesos.

Isotérmica de expansión: el gas se hincha y toma una cierta cantidad de entropía del cuerpo A. Debido a que el gas está a la misma temperatura que el cuerpo A, no se produce entropía adicional. La energía arrastrada por la entropía es igual a la temperatura por la entropía (cantidad de carga). Esta energía se disipa directamente al medio ambiente en forma de trabajo mecánico a través del vástago del pistón. La energía interna del gas permanece constante.

Ciclo de Carnot
Cuatro suprocesos

Expansión isentrópica: el gas continúa expandiéndose sin entropía. Debido a que la entropía de un gas debe aumentar con el volumen a una temperatura constante, el gas se enfría: el gas transforma la entropía aguda (temperatura efectiva) en entropía latente (no temperatura efectiva). Además, el gas libera parte de su energía interna en forma de trabajo para el medio ambiente.

Compresión isotérmica: se comprime el gas, y las salidas del cuerpo A entropía adoptó para el cuerpo B más. Debido a que el gas está a la misma temperatura que el cuerpo B , no se produce entropía adicional. La energía llevada por la entropía es de nuevo igual a la entropía de la temperatura.

Debido a que la temperatura del cuerpo B es más pequeña que el cuerpo A , la entropía disipa menos energía a B que en el proceso 1 del cuerpo A. Debido a que la energía interna del gas permanece constante, la energía llevada por la entropía debe suministrarse a través del vástago del pistón en forma de trabajo mecánico.

Compresión isentrópica: el gas se comprime aún más sin entropía. La entropía se comprime térmicamente, el gas transforma la entropía latente (no es efectiva a la temperatura) en entropía aguda (a la temperatura efectiva). La energía necesaria se suministra al gas a través del vástago del pistón. Como resultado, la energía interna del gas aumenta.

Debido a que el gas libera tanta entropía al cuerpo B como se ha hecho cargo del cuerpo A, tiene el mismo volumen a la misma temperatura al final que al comienzo del ciclo.