Ciclo de Carnot
En principio, cualquier ciclo termodinámico se puede utilizar para diseñar una máquina o un refrigerador, según el sentido en el que se recorra el ciclo. Puesto que, según el enunciado del Segundo Principio ninguna máquina puede tener rendimiento 100%, es importante saber cuál es el máximo rendimiento posible entre dos focos determinados. Como veremos, el ciclo de Carnot proporciona ese límite superior entre dos focos. Este ciclo es una idealización ya que está constituido por transformaciones reversibles: el intercambio de calor de la sustancia de trabajo con los focos se produce a través de isotermas y las variaciones de temperatura de forma adiabática, para que no haya pérdidas de calor.
A continuación estudiaremos este ciclo para máquinas y para refrigeradores, considerando siempre que la sustancia de trabajo es un gas ideal.
Máquina de Carnot
En una máquina el ciclo se recorre en sentido horario para que el gas produzca trabajo. Las transformaciones que constituyen el ciclo de Carnot son:
1.-Expansión isotérmica (1-2): al gas absorbe una cantidad de calor Q1 manteniéndose a la temperatura del foco caliente T1.
2.-Expansión adiabática (2-3): el gas se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frío T2.
3.-Compresión isotérmica (3-4): el gas cede el calor Q2 al foco frío, sin variar de temperatura.
4.-Compresión adiabática (4-1): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T1, cerrando el ciclo.
Refrigerador de Carnot
El ciclo se recorre en sentido antihorario, ya que el trabajo es negativo (trabajo consumido por el gas):
Expansión adiabática (1-2): el gas se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frío T2.
Expansión isoterma (2-3): el gas se mantiene a la temperatura del foco frío (T2) y durante la expansión, absorbe el calor Q2 de dicho foco.
Compresión adiabática (3-4): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T1, sin intercambio de calor.
Compresión isoterma (4-1): al gas cede el calor Q1 al foco caliente, manteniéndose a la temperatura de dicho foco T1 y cerrando el ciclo.
Refrigerador de Carnot
El ciclo se recorre en sentido antihorario, ya que el trabajo es negativo (trabajo consumido por el gas):
Expansión adiabática (1-2): el gas se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frío T2.
Expansión isoterma (2-3): el gas se mantiene a la temperatura del foco frío (T2) y durante la expansión, absorbe el calor Q2 de dicho foco.
Compresión adiabática (3-4): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T1, sin intercambio de calor.
Compresión isoterma (4-1): al gas cede el calor Q1 al foco caliente, manteniéndose a la temperatura de dicho foco T1 y cerrando el ciclo.
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