Cuando hablamos en física y en termodinámica del ciclo de Carnot estamos haciendo referencia a una secuencia de procesos que tienen lugar en un motor de Carnot. Se trata de un dispositivo ideal que consta solamente de algunos procesos de tipo reversible. Esto significa que una vez estos procesos han tenido lugar se puede volver a retomar el estado inicial. Este tipo de motor es considerado en física como un motor ideal y se emplea para poder planificar el resto de motores.
En este artículo vamos a contarte todo lo que debes saber sobre el ciclo de Carnot y sus características principales.
Características principales
Estamos hablando que este tipo de motor se considera como un motor ideal. Esto es así ya que carece de la disipación de energía, a fuerza de rozamiento con el suelo o el aire y ningún tipo de viscosidad. Todas estas características o inconveniente surgen en cualquier motor real, ya que es imposible convertir la energía térmica en trabajo utilizable en un 100%. Sin embargo, al montón de Carnot se pueden simular todas estas condiciones para poder trabajar mejor y hacer los cálculos de una forma más sencilla.
Cuando compremos un motor lo hacemos partiendo de una sustancia que es capaz de realizar trabajo. Por ejemplo, las principales sustancias que se emplean son el gas, la gasolina o el vapor. Cuando esta sustancias que son capaces de realizar trabajo se le someten a diversos cambios tanto de temperatura como de presión, generan algunas variaciones en su volumen. De esta forma, se puede mover un pistón dentro de un cilindro para tener el motor.
En qué consiste el ciclo de Carnot
Este ciclo ocurre dentro de un sistema que se llama motor de Carnot. En este motor existe un gas ideal que está encerrado en un cilindro y que está provisto de un pistón. El pistón está en contacto con varias fuentes que están a distintas temperaturas. En este sistema suceden algunos procesos que resume vemos en los siguientes pasos:
- Se le suministra al dispositivo una cierta cantidad de calor. Esta cantidad de calor procede del depósito térmico a alta temperatura.
- El motor realiza un trabajo gracias a este calor que sería suministrado
- Parte del calor es utilizado y otro es desechado. El desechado se transfiera al depósito térmico que está a menor temperatura.
Una vez hemos visto todos los procesos, vamos a ver cuáles son las etapas del ciclo de Carnot. El análisis de estos procesos se efectúa mediante un diagrama en el que se mide la presión y el volumen. El objetivo del motor puede ser tanto mantener frío el depósito número dos extrayendo calor de él. En este caso estaremos hablando de una máquina refrigerante. Si por el contrario el objetivo es ceder calor al depósito térmico un número uno, entonces estaremos hablando de una bomba de calor.
Si analizamos un diagrama de presión y volumen vemos que se muestran cambios en la presión y temperatura del motor bajo ciertas condiciones que son las siguientes:
- Siempre cuando la temperatura sea mantiene constante. Aquí estamos hablando de un proceso isotérmico.
- Sin transferencia de calor. Es aquí donde tenemos un aislamiento térmico.
Los procesos isotérmicos necesitan ser conectados entre ellos y esto se consigue gracias al aislamiento térmico.
Etapas del ciclo de Carnot
En el punto de partida podemos comenzar con cualquier parte del ciclo en el que el gas tiene ciertas condiciones de presión, volumen y temperatura. Este y gas va a sufrir una serie de procesos que lo van a poder llevar a retornar las condiciones de partida. Una vez el gas ha retornado a sus condiciones iniciales estaba en perfectas condiciones para empezar otro ciclo. Estas condiciones se dan siempre y cuando la energía interna al final sea la misma que la energía interna al inicio. Esto quiere decir que la energía se conserva. Ya sabemos que la energía ni se crea ni se destruye, sino que sólo se transforma.
La primera etapa del ciclo de Carnot se basa en una expansión isotérmica. En esta etapa el sistema absorbe calor del depósito térmico 1 y sufre una expansión isotérmica. Por ende, el volumen del gas aumenta y la presión disminuye. Sin embargo, la temperatura se mantiene estable puesto que cuando el gas se expande se enfría. Por lo tanto, sabemos que su energía interna se mantiene constante en el tiempo.
En la segunda etapa tenemos una expansión adiabática. Adiabática quiere decir que el sistema no gana ni pierde calor. Esto se consigue poniendo el gas en aislamiento calórico como se ha indicado antes. Por lo tanto, en una expansión adiabática el volumen aumenta y la presión disminuye hasta llegar a su valor más bajo.
En la tercera etapa tenemos una compresión isotérmica. Aquí retiramos el aislamiento y el sistema entra en contacto con el depósito térmico número 2, que estará a una temperatura menor. Por ello, el sistema se encarga de ceder el calor de desecho que no se ha utilizado a este depósito térmico. Al ceder el calor, la presión comienza a aumentar y el volumen a disminuir.
Por último, en la última etapa del ciclo de Carnot tenemos una compresión adiabática. Aquí pasamos nuevamente a una etapa de aislamiento térmico por el sistema. La presión aumenta el volumen disminuye hasta llegar nuevamente a las condiciones iniciales. Por ello, el ciclo está listo para poder comenzar de nuevo.
Limitaciones
Como hemos mencionado antes, el motor del Carnot esta idealizado. Esto quiere decir que tiene sus limitaciones dado que los motores reales no tienen esa eficiencia del 100%. Sabemos que dos máquinas de Carnot tienen la misma eficiencia si ambas operan con los mismos depósitos térmicos. Esta afirmación significa qué me importa la sustancia que utilicemos, dado que el rendimiento será totalmente independiente y no se puede elevar.
La conclusión que establecemos del análisis anterior es que el ciclo de Carnot es el tope del proceso termodinámico que se puede alcanzar de forma ideal. Es decir, más allá de ello, no existirá ningún motor con mayor eficiencia. Sabemos que el hecho del aislamiento térmico nunca es perfecto y las etapas adiabáticas no existen, ya que existe un intercambio calórico con el exterior.
En el caso de un coche el bloque del motor se calienta y por otra parte de la mezcla de gasolina y aire no se comporta exactamente comunicas ideal. Está por no mencionar algunos factores que provocan una drástica reducción del rendimiento.
Espero que con esta información puedan conocer más sobre el ciclo de Carnot y sus características.