Quan parlem en física i en termodinàmica de l' cicle de Carnot estem fent referència a una seqüència de processos que tenen lloc en un motor de Carnot. Es tracta d'un dispositiu ideal que consta només d'alguns processos de tipus reversible. Això vol dir que un cop aquests processos han tingut lloc es pot tornar a reprendre l'estat inicial. Aquest tipus de motor és considerat en física com un motor ideal i s'empra per poder planificar la resta de motors.
En aquest article anem a explicar-te tot el que cal saber sobre el cicle de Carnot i les seves característiques principals.
característiques principals
Estem parlant que aquest tipus de motor es considera com un motor ideal. Això és així ja que no té la dissipació d'energia, a força de fregament amb el terra o l'aire i cap tipus de viscositat. Totes aquestes característiques o inconvenient sorgeixen en qualsevol motor real, ja que és impossible convertir l'energia tèrmica en treball utilitzable en un 100%. No obstant això, a la pila de Carnot es poden simular totes aquestes condicions per poder treballar millor i fer els càlculs d'una manera més senzilla.
Quan comprem un motor ho fem partint d'una substància que és capaç de realitzar treball. Per exemple, les principals substàncies que s'empren són el gas, la gasolina o el vapor. Quan aquesta substàncies que són capaços de realitzar treball se li sotmeten a diversos canvis tant de temperatura com de pressió, generen algunes variacions en el seu volum. D'aquesta manera, es pot moure un pistó dins d'un cilindre per tenir el motor.
En què consisteix el cicle de Carnot
Aquest cicle ocorre dins d'un sistema que es diu motor de Carnot. En aquest motor ha un gas ideal que està tancat en un cilindre i que està proveït d'un pistó. El pistó està en contacte amb diverses fonts que estan a diferents temperatures. En aquest sistema succeeixen alguns processos que resumeix veiem en els següents passos:
- Se li subministra a el dispositiu una certa quantitat de calor. Aquesta quantitat de calor procedeix de l'dipòsit tèrmic a alta temperatura.
- El motor realitza un treball gràcies a aquesta calor que seria subministrat
- Part de la calor és utilitzat i un altre és rebutjat. El rebutjat es transfereixi a l'dipòsit tèrmic que està a menor temperatura.
Un cop hem vist tots els processos, veurem quines són les etapes del cicle de Carnot. L'anàlisi d'aquests processos s'efectua mitjançant un diagrama en el qual es mesura la pressió i el volum. L'objectiu de l'motor pot ser tant mantenir fred el dipòsit número dos extraient calor d'ell. En aquest cas estarem parlant d'una màquina refrigerant. Si per contra l'objectiu és cedir calor a l'dipòsit tèrmic un nombre un, llavors estarem parlant d'una bomba de calor.
Si analitzem un diagrama de pressió i volum veiem que es mostren canvis en la pressió i temperatura de l'motor sota certes condicions que són les següents:
- Sempre quan la temperatura sigui manté constant. Aquí estem parlant d'un procés isotèrmic.
- Sense transferència de calor. És aquí on tenim un aïllament tèrmic.
Els processos isotèrmics necessiten ser connectats entre ells i això s'aconsegueix gràcies a l'aïllament tèrmic.
Etapes del cicle de Carnot
En el punt de partida podem començar amb qualsevol part de l'cicle en què el gas té certes condicions de pressió, volum i temperatura. Aquest i gas patirà una sèrie de processos que ho van a poder dur a retornar les condicions de partida. Un cop el gas ha retornat a les seves condicions inicials estava en perfectes condicions per a començar un altre cicle. Aquestes condicions es donen sempre que l'energia interna a el final sigui la mateixa que l'energia interna a l'inici. Això vol dir que l'energia es conserva. Ja sabem que l'energia ni es crea ni es destrueix, sinó que només es transforma.
La primera etapa d'el cicle de Carnot es basa en una expansió isotèrmica. En aquesta etapa el sistema absorbeix calor de l'dipòsit tèrmic 1 i pateix una expansió isotèrmica. Per tant, el volum de gas augmenta i la pressió disminueix. No obstant això, la temperatura es manté estable ja que quan el gas s'expandeix es refreda. Per tant, sabem que la seva energia interna es manté constant en el temps.
En la segona etapa tenim una expansió adiabàtica. Adiabàtica vol dir que el sistema no guanya ni perd calor. Això s'aconsegueix posant el gas en aïllament calòric com s'ha indicat abans. Per tant, en una expansió adiabàtica el volum augmenta i la pressió disminueix fins a arribar al seu valor més baix.
En la tercera etapa tenim una compressió isotèrmica. Aquí retirem l'aïllament i el sistema entra en contacte amb el dipòsit tèrmic número 2, que estarà a una temperatura menor. Per això, el sistema s'encarrega de cedir la calor de rebuig que no s'ha utilitzat a aquest dipòsit tèrmic. A l'cedir la calor, la pressió comença a augmentar i el volum a disminuir.
Finalment, en l'última etapa de l'cicle de Carnot tenim una compressió adiabàtica. Aquí vam passar novament a una etapa d'aïllament tèrmic pel sistema. La pressió augmenta el volum disminueix fins a arribar novament a les condicions inicials. Per això, el cicle està a punt per poder començar de nou.
limitacions
Com hem esmentat abans, el motor de l'Carnot aquesta idealitzat. Això vol dir que té les seves limitacions atès que els motors reals no tenen aquesta eficiència de el 100%. Sabem que dues màquines de Carnot tenen la mateixa eficiència si les dues operen amb els mateixos dipòsits tèrmics. Aquesta afirmació vol dir què m'importa la substància que utilitzem, ja que el rendiment serà totalment independent i no es pot elevar.
La conclusió que establim de l'anàlisi anterior és que el cicle de Carnot és el límit de l'procés termodinàmic que es pot aconseguir de forma ideal. És a dir, més enllà d'això, no hi haurà cap motor amb major eficiència. Sabem que el fet l'aïllament tèrmic mai és perfecte i les etapes adiabàtiques no existeixen, ja que hi ha un intercanvi calòric amb l'exterior.
En el cas d'un cotxe el bloc de l'motor s'escalfa i per una altra part de la barreja de gasolina i aire no es comporta exactament comuniques ideal. Està per no esmentar alguns factors que provoquen una dràstica reducció de l'rendiment.
Espero que amb aquesta informació puguin conèixer més sobre el cicle de Carnot i les seves característiques.