Máquina de Carnot: Principios, Funcionamiento y Eficiencia Termodinámica Ideal

Máquina de Carnot: Principios y Fundamentos

La Máquina de Carnot es un dispositivo ideal que utiliza calor para realizar un trabajo. En su funcionamiento, un gas experimenta un proceso cíclico de expansión y contracción entre dos temperaturas. El ciclo termodinámico empleado se denomina ciclo de Carnot y fue estudiado por Sadi Carnot alrededor de 1820. Una máquina de Carnot representa el procedimiento más eficaz para producir trabajo a partir de dos focos de temperatura.

Este sistema puede construirse a partir de un cilindro sobre el que se desliza un pistón, unido a una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro contiene una cantidad determinada de un gas ideal, y la máquina opera intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes, T1 < T2. Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas se realizan isotérmicamente, es decir, manteniendo la temperatura constante. Esta parte del proceso es, por lo tanto, reversible. El ciclo se completa con una expansión y una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor, lo que también hace que esta parte del ciclo sea reversible.

Funcionamiento del Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot se compone de cuatro etapas reversibles:

1. Expansión Isotérmica

   Se parte de una situación en la que el gas ocupa el volumen mínimo (Vmin) a la temperatura T2 y a alta presión. En este estado, se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T2, provocando la expansión del gas. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y mantiene su temperatura constante. El volumen del gas aumenta, produciendo un trabajo sobre el pistón. Dado que la temperatura permanece constante durante esta parte del ciclo, el gas no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo:

   dQ1 = dW1 > 0, dU1 = 0.

2. Expansión Adiabática

   La expansión isotérmica finaliza en un punto tal que el resto de la expansión puede realizarse sin intercambio de calor. Esta expansión adiabática provoca que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T1 en el momento en que el pistón llega al punto máximo de su carrera y el gas alcanza su volumen máximo (Vmax). Durante esta etapa, todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energía interna:

   dQ2 = 0, dU2 = dW2 > 0.

3. Compresión Isotérmica

   Se pone en contacto el cilindro con la fuente de calor de temperatura T1, y el gas comienza a comprimirse. Sin embargo, su temperatura no aumenta porque cede calor a la fuente fría. Durante esta parte del ciclo, se realiza trabajo sobre el gas, pero como la temperatura permanece constante, la energía interna no cambia y el trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1:

   dQ3 = dW3 < 0, dU3 = 0.

4. Compresión Adiabática

   La fuente T1 se retira en el momento adecuado para que, durante el resto de la compresión, el gas eleve su temperatura hasta alcanzar exactamente el valor T2 al mismo tiempo que el volumen del gas alcanza su valor mínimo (Vmin). Durante esta etapa, no hay intercambio de calor y el trabajo realizado sobre el gas se convierte en energía interna:

   dQ4 = 0, dU4 = dW4 <= 0.