{"id":50271,"date":"2020-01-11T16:50:20","date_gmt":"2020-01-11T15:50:20","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/que-es-el-ciclo-de-carnot-carnot-heat-engine-definicion\/"},"modified":"2020-01-11T16:51:51","modified_gmt":"2020-01-11T15:51:51","slug":"que-es-el-ciclo-de-carnot-carnot-heat-engine-definicion","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/es\/que-es-el-ciclo-de-carnot-carnot-heat-engine-definicion\/","title":{"rendered":"Qu\u00e9 es el ciclo de Carnot – Carnot Heat Engine – Definici\u00f3n"},"content":{"rendered":"
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Un sistema que experimenta un ciclo de Carnot se llama motor de calor de Carnot.\u00a0El ciclo de Carnot es un ciclo te\u00f3rico con la mayor eficiencia posible de todos los ciclos termodin\u00e1micos.\u00a0Ingenieria termal<\/div>\n<\/div>\n
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Carnot Cycle – Carnot Heat Engine<\/span><\/h2>\n
\"diagrama<\/a>
Diagrama pV del ciclo de Carnot.\u00a0El \u00e1rea delimitada por la ruta completa del ciclo representa el trabajo total que se puede hacer durante un ciclo.<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

La\u00a0<\/span>segunda ley de la termodin\u00e1mica<\/span><\/strong><\/a>\u00a0impone restricciones sobre la direcci\u00f3n de la transferencia de calor y establece un\u00a0<\/span>l\u00edmite superior para la\u00a0<\/span>eficiencia<\/span><\/a><\/strong>\u00a0de la conversi\u00f3n de calor para trabajar en\u00a0<\/span>motores de calor<\/span><\/strong><\/a>\u00a0.\u00a0Entonces, la segunda ley es directamente relevante para muchos problemas pr\u00e1cticos importantes.<\/span><\/p>\n

En 1824, un ingeniero y f\u00edsico franc\u00e9s,\u00a0<\/span>Nicolas L\u00e9onard Sadi Carnot<\/span><\/strong>\u00a0avanz\u00f3 el estudio de la segunda ley al formar un principio (tambi\u00e9n llamado\u00a0<\/span>la regla de Carnot<\/span><\/strong><\/a>\u00a0) que especifica los l\u00edmites de la\u00a0<\/span>m\u00e1xima eficiencia que cualquier motor t\u00e9rmico<\/span><\/strong>\u00a0puede obtener.\u00a0En resumen, este principio establece que la\u00a0<\/span>eficiencia de un ciclo termodin\u00e1mico<\/span><\/strong>\u00a0depende \u00fanicamente de la diferencia entre los dep\u00f3sitos de temperatura caliente y fr\u00eda.<\/span><\/p>\n

El principio de Carnot establece:<\/span><\/strong><\/p>\n

    \n
  1. Ning\u00fan motor puede ser m\u00e1s eficiente que un motor reversible (\u00a0<\/span>un motor t\u00e9rmico de Carnot<\/span><\/strong>\u00a0) que opera entre los mismos dep\u00f3sitos de alta temperatura y baja temperatura.<\/span><\/li>\n
  2. Las eficiencias de todos los motores reversibles (motores de\u00a0<\/span>calor Carnot<\/span><\/strong>\u00a0) que funcionan entre los mismos dep\u00f3sitos de temperatura constante son los mismos, independientemente de la sustancia de trabajo empleada o los detalles de operaci\u00f3n.<\/span><\/li>\n<\/ol>\n

    El ciclo de este motor se llama\u00a0<\/span>ciclo de Carnot<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0Un sistema que experimenta un\u00a0<\/span>ciclo de Carnot<\/span><\/strong>\u00a0se llama\u00a0<\/span>motor de calor de Carnot<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0No es un ciclo termodin\u00e1mico real, pero es una construcci\u00f3n te\u00f3rica y no se puede construir en la pr\u00e1ctica.\u00a0Todos los procesos termodin\u00e1micos reales son de alguna manera\u00a0<\/span>irreversibles<\/span><\/strong><\/a>\u00a0.\u00a0No se realizan de manera\u00a0<\/span>infinitamente lenta<\/span><\/strong>\u00a0e\u00a0<\/span>infinitamente peque\u00f1os pasos<\/span><\/strong>\u00a0de temperatura tambi\u00e9n son una ficci\u00f3n te\u00f3rica.\u00a0Por lo tanto, los motores t\u00e9rmicos deben tener eficiencias m\u00e1s bajas que los l\u00edmites en su eficiencia debido a la irreversibilidad inherente del ciclo del motor t\u00e9rmico que usan.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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    Ciclo de Carnot – Procesos<\/span><\/h2>\n

    \"Ciclo<\/a>En un\u00a0<\/span>ciclo de Carnot<\/span><\/strong>\u00a0, el sistema que ejecuta el ciclo experimenta una serie de\u00a0<\/span>cuatro procesos internamente reversibles<\/span><\/strong>\u00a0:\u00a0<\/span>dos\u00a0<\/span>procesos isentr\u00f3picos<\/span><\/a><\/strong>\u00a0(adiab\u00e1ticos reversibles) alternados con\u00a0<\/span>dos\u00a0<\/span><\/strong>procesos isot\u00e9rmicos<\/span><\/strong><\/a>\u00a0:<\/span><\/p>\n

      \n
    1. compresi\u00f3n isoentr\u00f3pica<\/span><\/strong>\u00a0– El gas se comprime adiab\u00e1ticamente del estado 1 al estado 2, donde la temperatura es\u00a0<\/span>T\u00a0<\/span>H<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0.\u00a0Los alrededores trabajan con el gas, aumentando su energ\u00eda interna y comprimi\u00e9ndolo.\u00a0Por otro lado, la\u00a0<\/span>entrop\u00eda<\/span><\/strong>\u00a0permanece\u00a0<\/span>sin cambios<\/span><\/strong>\u00a0.<\/span><\/li>\n
    2. Isot\u00e9rmica expansi\u00f3n<\/span><\/strong>\u00a0– El sistema se coloca en contacto con el dep\u00f3sito en\u00a0<\/span>T\u00a0<\/span>H<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0.\u00a0El gas se expande isot\u00e9rmicamente mientras recibe energ\u00eda Q\u00a0<\/span>H<\/span><\/sub>\u00a0del dep\u00f3sito caliente por transferencia de calor.\u00a0La temperatura del gas no cambia durante el proceso.\u00a0El gas funciona en los alrededores.\u00a0El cambio total de entrop\u00eda viene dado por:\u00a0<\/span>\u2206S = S\u00a0<\/span><\/em><\/strong>1<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0– S\u00a0<\/span><\/em><\/strong>4<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0= Q\u00a0<\/span><\/em><\/strong>H<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0\/ T\u00a0<\/span><\/em><\/strong>H<\/span><\/sub><\/em><\/strong><\/li>\n
    3. expansi\u00f3n isoentr\u00f3pica<\/span><\/strong>\u00a0– El gas se expande adiab\u00e1ticamente del estado 3 al estado 4, donde la temperatura es\u00a0<\/span>T\u00a0<\/span>C<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0.\u00a0El gas funciona en el entorno y pierde una cantidad de energ\u00eda interna igual al trabajo que abandona el sistema.\u00a0Nuevamente, la entrop\u00eda permanece sin cambios.<\/span><\/li>\n
    4. isot\u00e9rmica de compresi\u00f3n<\/span><\/strong>\u00a0– El sistema se coloca en contacto con el dep\u00f3sito en\u00a0<\/span>T\u00a0<\/span>C<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0.\u00a0El gas se comprime isot\u00e9rmicamente a su estado inicial mientras descarga energ\u00eda Q\u00a0<\/span>C<\/span><\/sub>\u00a0al dep\u00f3sito fr\u00edo por transferencia de calor.\u00a0En este proceso, los alrededores trabajan con el gas.\u00a0El cambio total de entrop\u00eda viene dado por:\u00a0<\/span>\u2206S = S\u00a0<\/span><\/em><\/strong>3<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0– S\u00a0<\/span><\/em><\/strong>2<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0= Q\u00a0<\/span><\/em><\/strong>C<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0\/ T\u00a0<\/span><\/em><\/strong>C<\/span><\/sub><\/em><\/strong><\/li>\n<\/ol>\n<\/div>\n<\/div>\n
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      <\/div>\n

      Proceso isentr\u00f3pico<\/span><\/h2>\n

      Un\u00a0<\/span>proceso isentr\u00f3pico<\/span><\/strong><\/a>\u00a0es un\u00a0<\/span>proceso termodin\u00e1mico<\/span><\/strong><\/a>\u00a0, en el cual la\u00a0<\/span>entrop\u00eda<\/span><\/strong>\u00a0<\/a>del fluido o gas permanece constante.\u00a0Significa que el\u00a0<\/span>proceso isentr\u00f3pico<\/span><\/strong>\u00a0es un caso especial de un\u00a0<\/span>proceso adiab\u00e1tico<\/span><\/strong>\u00a0en el que no hay transferencia de calor o materia.\u00a0Es un\u00a0<\/span>proceso adiab\u00e1tico reversible<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0La suposici\u00f3n de que no hay transferencia de calor es muy importante, ya que podemos usar la aproximaci\u00f3n adiab\u00e1tica solo en\u00a0<\/span>procesos muy r\u00e1pidos<\/span><\/strong>\u00a0.<\/span><\/p>\n

      Proceso isentr\u00f3pico y la primera ley<\/span><\/strong><\/p>\n

      Para un sistema cerrado, podemos escribir la\u00a0<\/span>primera ley de la termodin\u00e1mica en t\u00e9rminos de entalp\u00eda<\/span><\/a><\/strong>\u00a0:<\/span><\/p>\n

      dH = dQ + Vdp<\/span><\/strong><\/p>\n

      o<\/span><\/strong><\/p>\n

      dH = TdS + Vdp<\/span><\/strong><\/p>\n

      Proceso isentr\u00f3pico (dQ = 0):<\/span><\/strong><\/p>\n

      dH = Vdp \u2192 W = H\u00a0<\/span><\/strong>2<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0– H\u00a0<\/span><\/strong>1<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u2192 H\u00a0<\/span><\/strong>2<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0– H\u00a0<\/span><\/strong>1<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0=\u00a0<\/span>C\u00a0<\/span><\/em><\/strong>p<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0(T\u00a0<\/span><\/em><\/strong>2<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0– T\u00a0<\/span><\/em><\/strong>1<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0) \u00a0\u00a0\u00a0<\/span><\/em><\/strong>\u00a0(para\u00a0<\/span>gas ideal<\/span><\/a>\u00a0)<\/span><\/em><\/p>\n

      Proceso isentr\u00f3pico del gas ideal<\/span><\/strong><\/p>\n

      El\u00a0<\/span>proceso isentr\u00f3pico<\/span><\/strong>\u00a0(un caso especial de proceso adiab\u00e1tico) se puede expresar con la\u00a0<\/span>ley de los gases ideales<\/span><\/strong><\/a>\u00a0como:<\/span><\/p>\n

      pV\u00a0<\/span>\u03ba<\/span><\/sup>\u00a0= constante<\/span><\/em><\/strong><\/p>\n

      o<\/span><\/p>\n

      p\u00a0<\/span>1<\/span><\/sub>\u00a0V\u00a0<\/span>1\u00a0<\/span><\/sub>\u03ba<\/span><\/sup>\u00a0= p\u00a0<\/span>2<\/span><\/sub>\u00a0V\u00a0<\/span>2\u00a0<\/span><\/sub>\u03ba<\/span><\/sup><\/strong><\/em><\/p>\n

      en el que\u00a0<\/span>\u03ba = c\u00a0<\/span>p<\/span><\/sub>\u00a0\/ c\u00a0<\/span>v<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0es la relaci\u00f3n de los\u00a0calores espec\u00edficos<\/strong><\/a>\u00a0(o\u00a0capacidades de calor<\/strong>\u00a0) para el gas.\u00a0Uno para\u00a0presi\u00f3n constante (c\u00a0<\/strong>p<\/sub><\/strong>\u00a0)<\/strong>\u00a0y otro para\u00a0volumen constante (c\u00a0<\/strong>v<\/sub><\/strong>\u00a0)<\/strong>\u00a0.\u00a0Tenga en cuenta que esta relaci\u00f3n\u00a0\u03ba\u00a0\u00a0<\/strong>= c\u00a0<\/strong>p<\/sub><\/strong>\u00a0\/ c\u00a0<\/strong>v<\/sub><\/strong>\u00a0es un factor para determinar la velocidad del sonido en un gas y otros procesos adiab\u00e1ticos.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

      \n
      \n
      <\/div>\n

      Proceso isot\u00e9rmico<\/span><\/h2>\n

      Un\u00a0<\/span>proceso isot\u00e9rmico<\/span><\/strong>\u00a0es un\u00a0<\/span>proceso termodin\u00e1mico<\/span><\/strong><\/a>\u00a0, en el que la\u00a0<\/span>temperatura<\/span><\/strong>\u00a0del sistema\u00a0<\/span>permanece constante<\/span><\/strong>\u00a0(T = constante).\u00a0La transferencia de calor dentro o fuera del sistema generalmente debe ocurrir a una velocidad tan lenta para ajustarse continuamente a la temperatura del dep\u00f3sito a trav\u00e9s del intercambio de calor.\u00a0En cada uno de estos estados\u00a0se mantiene el\u00a0<\/span>equilibrio t\u00e9rmico<\/span><\/strong><\/a>\u00a0.<\/span><\/p>\n

      Proceso isot\u00e9rmico y la primera ley<\/span><\/strong><\/p>\n

      La forma cl\u00e1sica de la\u00a0<\/span>primera ley de la termodin\u00e1mica<\/span><\/a>\u00a0es la siguiente ecuaci\u00f3n:<\/span><\/p>\n

      dU = dQ – dW<\/span><\/strong><\/p>\n

      En esta ecuaci\u00f3n, dW es igual a\u00a0<\/span>dW = pdV<\/span><\/strong>\u00a0y se conoce como el\u00a0<\/span>trabajo l\u00edmite<\/span><\/a>\u00a0.<\/span><\/p>\n

      En el\u00a0<\/span>proceso isot\u00e9rmico<\/span><\/strong>\u00a0y el\u00a0<\/span>gas ideal<\/span><\/strong><\/a>\u00a0, todo el calor agregado al sistema se utilizar\u00e1 para hacer el trabajo:<\/span><\/p>\n

      Proceso isot\u00e9rmico (dU = 0):<\/span><\/strong><\/p>\n

      dU = 0 = Q – W \u2192 W = Q \u00a0\u00a0<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0<\/em><\/strong>(para gas ideal)<\/span><\/em><\/p>\n

      Proceso isot\u00e9rmico del gas ideal<\/span><\/strong><\/p>\n

      El\u00a0<\/span>proceso isot\u00e9rmico\u00a0<\/span><\/strong>\u00a0se puede expresar con la\u00a0<\/span>ley de los gases ideales<\/span><\/strong>\u00a0como:<\/span><\/p>\n

      pV = constante<\/span><\/em><\/strong><\/p>\n

      o<\/span><\/p>\n

      p\u00a0<\/span>1<\/span><\/sub>\u00a0V\u00a0<\/span>1<\/span><\/sub>\u00a0\u00a0= p\u00a0<\/span>2<\/span><\/sub>\u00a0V\u00a0<\/span>2<\/span><\/sub><\/strong><\/em><\/p>\n

      En un diagrama de pV, el proceso se produce a lo largo de una l\u00ednea (llamada una isoterma) que tiene la ecuaci\u00f3n\u00a0<\/span>p = constante \/ V<\/span><\/strong>\u00a0.<\/span><\/p>\n

      Ver tambi\u00e9n:\u00a0<\/span>Ley de Boyle-Mariotte<\/span><\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

      \n
      \n
      \"Proceso<\/a>
      Proceso isentr\u00f3pico – caracter\u00edsticas principales<\/span><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n
      \n
      \n
      \"Proceso<\/a>
      Proceso isot\u00e9rmico – caracter\u00edsticas principales<\/span><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n
      \n
      \n
      <\/div>\n

      Ciclo de Carnot – pV, diagrama Ts<\/span><\/h2>\n
      \"Diagrama<\/a>
      Diagrama Ts del ciclo de Carnot.\u00a0El \u00e1rea bajo la curva Ts de un proceso es el calor transferido al sistema durante ese proceso.<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

      El ciclo de Carnot a menudo se representa en un\u00a0<\/span>diagrama de presi\u00f3n-volumen<\/span><\/strong>\u00a0(\u00a0diagrama\u00a0<\/strong><\/span>pV<\/span><\/strong>\u00a0) y en un\u00a0<\/span>diagrama de temperatura-entrop\u00eda<\/span><\/strong>\u00a0(\u00a0<\/span>diagrama Ts<\/span><\/strong>\u00a0).<\/span><\/p>\n

      Cuando se trazan en un\u00a0<\/span>diagrama de presi\u00f3n-volumen<\/span><\/strong>\u00a0, los procesos isot\u00e9rmicos siguen las l\u00edneas isot\u00e9rmicas del gas, los procesos adiab\u00e1ticos se mueven entre isotermas y el \u00e1rea delimitada por la ruta completa del ciclo representa el trabajo total que se puede hacer durante un ciclo.<\/span><\/p>\n

      El\u00a0<\/span>diagrama de temperatura-entrop\u00eda<\/span><\/strong>\u00a0(\u00a0diagrama<\/strong>\u00a0Ts) en el que el estado termodin\u00e1mico se especifica mediante un punto en un gr\u00e1fico con\u00a0<\/span>entrop\u00eda espec\u00edfica<\/span><\/a>\u00a0(s) como eje horizontal y temperatura absoluta (T) como eje vertical, es el mejor diagrama para describir el comportamiento de un\u00a0<\/span>ciclo de Carnot<\/span><\/strong>\u00a0.<\/span><\/p>\n

      Es una herramienta \u00fatil y com\u00fan, particularmente porque ayuda a visualizar la transferencia de calor durante un proceso.\u00a0Para procesos reversibles (ideales), el \u00e1rea bajo la curva Ts de un proceso es el calor transferido al sistema durante ese proceso.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

      \n
      \n
      <\/div>\n

      Eficiencia del ciclo de Carnot<\/span><\/h2>\n

      En general, la\u00a0<\/span>eficiencia t\u00e9rmica<\/span><\/strong><\/a>\u00a0,\u00a0<\/span>\u03b7\u00a0<\/span><\/em><\/strong>\u00ba<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0, de cualquier motor de calor se define como la relaci\u00f3n de la red\u00a0<\/span>de trabajo<\/span><\/a>\u00a0que hace,\u00a0<\/span>W<\/span><\/strong>\u00a0, para el\u00a0<\/span>calor<\/span><\/a>\u00a0de entrada a la alta temperatura, Q\u00a0<\/span>H<\/span><\/sub>\u00a0.<\/span><\/p>\n

      \"f\u00f3rmula<\/a><\/p>\n

      Dado que la energ\u00eda se conserva de acuerdo con la\u00a0<\/span>primera ley de la termodin\u00e1mica<\/span><\/strong>\u00a0<\/a>y la energ\u00eda no se puede convertir en trabajo por completo, la entrada de calor, Q\u00a0<\/span>H<\/span><\/sub>\u00a0, debe ser igual al trabajo realizado, W, m\u00e1s el calor que se debe disipar como\u00a0<\/span>calor residual Q\u00a0<\/span><\/strong>C<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0en el ambiente.\u00a0Por lo tanto, podemos reescribir la f\u00f3rmula para la eficiencia t\u00e9rmica como:<\/span><\/p>\n

      \"f\u00f3rmula<\/a><\/p>\n

      Dado que\u00a0<\/span>Q\u00a0<\/span><\/em><\/strong>C<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0= \u2206ST\u00a0<\/span><\/em><\/strong>C<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0y\u00a0<\/span>Q\u00a0<\/span><\/strong><\/em>H<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0= \u2206ST\u00a0<\/span><\/em><\/strong>H<\/span><\/sub><\/em><\/strong>\u00a0, la f\u00f3rmula para esta eficiencia m\u00e1xima es:<\/span><\/p>\n

      \"F\u00f3rmula<\/a><\/p>\n

      d\u00f3nde:<\/span><\/p>\n