3.1: Ciclo de Carnot
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Un motor termodinámico funciona tomando calor de un depósito caliente y realizando cierto trabajo y luego entregando cierta cantidad de calor en un depósito más frío. Si se puede operar en reversa, puede funcionar como refrigerador. El ciclo Carnot es un proceso cíclico reversible (o motor) compuesto por los siguientes cuatro pasos:
- Comienza con un proceso adiabático que eleva la temperatura del material de trabajo del motor a, digamos,\(T_H\)
- Esto es seguido por un proceso isotérmico, tomando en calor desde el embalse en\(T_H\).
- El siguiente paso es un proceso adiabático que realiza cierta cantidad de trabajo y baja la temperatura del material a\(T_L\).
- El paso final es isotérmico, a la temperatura más baja\(T_L\), vertiendo cierta cantidad de calor en un reservorio más frío, con el material volviendo al estado termodinámico al inicio del ciclo.
Este es un motor idealizado, ningún motor real puede ser perfectamente reversible. La utilidad del motor Carnot es dar el marco y la lógica de los argumentos relacionados con la segunda ley de la termodinámica. Podemos decir que es un motor gedanken. Los procesos involucrados en el ciclo Carnot pueden referirse a compresión y expansión si el material es un gas; en este caso, el ciclo se puede ilustrar en un\(p − V\) diagrama como se muestra en la Fig. 3.1.1. Pero cualquier otro par de variables termodinámicas también servirá. Podemos pensar en un ciclo Carnot utilizando magnetización y campo magnético, o tensión superficial y área, o uno podría considerar una celda electroquímica.
Deje que la cantidad de calor que se tome a temperatura\(T_H\) sea\(Q_H\) y deje que la cantidad de calor cedida a la temperatura más baja\(T_L\) sea\(Q_L\). Dado que este es un caso idealizado, asumimos que no hay pérdida de calor por nada como la fricción. Así, la cantidad de trabajo realizado, según la primera ley es
\[W = Q_H − Q_L\]
La eficiencia del motor viene dada por la cantidad de trabajo realizado cuando se suministra una cantidad dada de calor, que es\(\frac{W}{Q_H}\). (El calor\(Q_L\) que se descarga en el depósito a una temperatura más baja no es utilizable para el trabajo.) La eficiencia\(η\) para un ciclo de Carnot es así
\[η = \frac{Q_H − Q_L}{Q_H} = 1 − \frac{Q_L}{Q_H}\]
La importancia del ciclo Carnot se debe a su naturaleza idealizada de no tener pérdidas y porque es reversible. Esto inmediatamente lleva a algunas consecuencias simples pero profundas.