Ciclo de Carnot: Procesos Reversibles, Motores Térmicos y Máquinas Frigoríficas

Ciclos termodinámicos: Carnot

1º Procesos reversibles e irreversibles

Un proceso es reversible cuando, ante un cambio muy pequeño en el ambiente, podemos hacer que recorra su trayectoria a la inversa. Una transformación termodinámica es reversible cuando la temperatura y la presión se encuentran en equilibrio, de modo que una pequeña variación de estas variables determina el sentido de la transformación. Deducimos que:

• En todo momento puede invertirse el sentido de la transformación reversible.
• Una transformación reversible de un estado de presión y temperatura A a un estado B, siempre se puede suponer la transformación inversa.

Cuando el estado inicial y el final coinciden, se trata de un proceso cerrado. Si el estado inicial y el final son diferentes, se dice que es abierto.

2º Motor térmico y máquina frigorífica

Para que se pueda producir trabajo, el motor térmico ha de funcionar entre dos focos de calor: uno caliente, del que extraemos calor (Qc), y otro frío, que recibe calor (Qf). La diferencia Qc − Qf es el trabajo realizado.

La máquina frigorífica puede considerarse un motor térmico que funciona en sentido inverso. Qf representa el calor extraído de los serpentines refrigerantes, W el trabajo realizado sobre el motor y Qc el calor cedido a los serpentines.

Una máquina frigorífica puede utilizarse como calentador: el foco caliente es la habitación y el frío el exterior. La bomba de calor resulta más ventajosa de utilizar.

3º Ciclo de Carnot

Tiene que existir un intercambio de calor del foco caliente al frío. Cuanto menor sea este cambio, mayor cantidad de calor se transforma en trabajo. Nicolas Sadi Carnot fue el primero que abordó el problema del rendimiento, enfocándolo en tres hechos:

• Al motor se le suministra energía en forma de calor a temperatura elevada.
• El calor realiza trabajo mecánico.
• El motor cede calor a temperatura inferior.

Carnot obtuvo la expresión del rendimiento de un motor térmico: η = (Qc − Qf) / Qc.

El ciclo de Carnot supone que la sustancia que realiza el ciclo reversible es un gas y que el motor funciona entre dos focos. Consta de cuatro etapas:

1. Expansión isoterma de V1 a V2, a T = Tc = T1 = T2. W = Qc = RTc ln(V2/V1).
2. Expansión adiabática: Tf = T3 = T4; no hay intercambio de calor con el exterior. La ecuación de estado para el gas es: (T2/T3) = (Tc/Tf) = (V3/V2)^(γ−1).
3. Compresión isoterma: el gas se comprime isotérmicamente a la temperatura Tf del foco frío, cediendo a este una cantidad de calor Qf. W2 = Qf = RTf ln(V3/V4).
4. Compresión adiabática: el gas se comprime adiabáticamente y su temperatura pasa de T4 = Tf al valor inicial T1 = Tc, finalizando el ciclo. (T1/T4) = (Tc/Tf) = (V4/V1)^(γ−1).

El rendimiento del ciclo de Carnot depende de las temperaturas del foco frío y del caliente: η = 1 − Tf / Tc.

Motores térmicos

Un motor térmico transforma la energía térmica en energía mecánica directamente utilizable para producir trabajo. La energía calorífica más importante procede de la combustión de determinadas sustancias.

En función del lugar donde se realiza la combustión

• Motores de combustión externa: el calor desprendido al quemarse el combustible es transmitido a un fluido intermedio, el cual produce la energía mecánica a través de una máquina alternativa o rotativa. Ejemplos: máquinas de vapor y turbinas de vapor.
• Motores de combustión interna: la combustión se produce en una cámara interna al propio motor, y son los gases generados los que causan el movimiento de los mecanismos del motor. Ejemplos: motores de explosión y motores diésel.

En función de la forma en que se obtiene la energía

• Motores alternativos: el fluido de trabajo actúa sobre pistones dotados de movimiento alternativo de subida y bajada.
• Motores rotativos: el fluido actúa sobre pistones rotatorios o sobre turbinas.
• Motores de chorro: el fluido es el encargado de producir el empuje por el principio de acción y reacción.

Componentes de una máquina frigorífica

• Compresor: es el elemento encargado de aspirar los vapores provenientes del evaporador a una presión baja y descargarlos comprimidos, a mayor presión y temperatura, a la entrada del condensador.
• Condensador: es un intercambiador de calor; el fluido refrigerante cede calor al medio ambiente exterior al salir con mayor temperatura. Los condensadores pueden ser de aire o de agua.
• Evaporador: es el ambiente a refrigerar, que cede calor al fluido. Permite que el fluido refrigerante absorba calor a presión constante.
• Elementos de expansión: válvula o turbina de expansión.

Motor alternativo de cuatro tiempos

El motor alternativo realiza sobre el fluido de trabajo un ciclo operativo, que puede ser de cuatro tiempos:

1. Admisión: al ascender el pistón desde el PMS, se crea un vacío en el cilindro que aspira el aire a través de la válvula de admisión, la cual permanece abierta.
2. Compresión: la válvula se cierra cuando el pistón llega al PMI, momento en el cual este comienza a subir y comprime la carga hasta el PMS.
3. Expansión: antes de finalizar la carrera de compresión se produce la inflamación del combustible, lo que aumenta la presión y la temperatura. El pistón se proyecta nuevamente hacia abajo y se produce trabajo.
4. Escape: el pistón llega al PMI, se abre la válvula de escape, el pistón asciende y los gases de la combustión son evacuados al exterior. Cuando llega al PMS, la válvula de escape se cierra y la de admisión se abre. En ese momento el motor volvería a iniciar el primer tiempo.