CICLO DE CARNOT
Introducción En 1824 1824 el inge ingeni nier ero o fran francé céss Sadi Sadi Carn Carnot ot estu estudi dió ó la efici eficien enci ciaa de las difer diferen ente tess máquinas térmicas que trabajan transfiriendo calor de una fuente de calor a otra y concluyó que las más eficientes son las que funcionan de manera reversible . Para ello diseñó una máquina térmica totalmente reversible que funciona entre dos fuentes de calor de temperaturas fijas. Esta máquina se conoce como la máquina de Carnot y su funcionamiento se llama el ciclo de Carnot . El teorema de Carnot establece establece que el rendimiento rendimiento de una máquina térmica es siempre menor o igual que el de una máquina térmica reversible que opere entre las mismas temperaturas. Como corolario, corolario, el rendimiento rendimiento de todas las máquinas máquinas térmicas reversibles que operen entre las mismas mismas temperaturas temperaturas es el mismo, independientem independientemente ente del sistema sistema físico que corre corresp spon onda da a la máqu máquin ina. a. Pued Puedee ser ser un gas gas ideal ideal some someti tido do a comp compres resio ione ness o expans expansion iones, es, puede puede ser un materia materiall parama paramagné gnético tico sometid sometido o a campos campos magnét magnético icoss vari variab able les, s, pued puedee ser ser un sist sistem emaa bifá bifási sico co form formad ado o por por agua agua y vapo vaporr de agua agua… … el resultado es siempre el mismo. Este Este resulta resultado, do, ya de por sí bastan bastante te contun contunden dente, te, nos permite permite además además calcula calcularr el rendimiento máximo que puede tener una máquina térmica. Nos basta con diseñar una máquina térmica reversible y hallar su rendimiento. El de todas las demás reversibles será el mismo, y el de las irreversibles será menor. Existen varias posibilidades de ciclos termodinámicos: el ciclo de Carnot, el ciclo Otto, el ciclo Diesel, el ciclo Joule-Brayton, el ciclo Rankine, etc. Aquí describiremos el ciclo de Carnot, que es el más importante de ellos. Un ciclo de potencia (directo) es la serie de procesos termodinámicos que conducen a la producción de trabajo útil a partir de una fuente de calor. Este ciclo, establece los criterios de operación para analizar los ciclos de potencia.
Ciclo termodinámico de Carnot El Ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal reversible entre dos fuentes de temperatura y cuatro procesos, en el cual el rendimiento es máximo. El ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos reversibles: dos isotérmicos y dos Como cicl ciclo o dire direct cto o o cicl ciclo o de pote potenc ncia ia,, el obje objeti tivo vo prin princi cipa pall es la isoentrópicos . Como prod produc ucci ción ón de traba trabajo jo útil. útil. En el diag diagra rama ma de fluj flujo o de la figu figura ra 1.1 1.1 se mues muestr traa la
disposición de los elementos que conforman el ciclo directo de Carnot, y en la figura 1.2 se muestran los diagramas p-v y t-s del mismo. En el ciclo directo de potencia, la relación de la cantidad determinada de trabajo a partir de un suministro determinado de calor se llama " eficiencia del ciclo de potencia ". Por lo que se obtiene la máxima eficiencia (de Carnot) al incrementar la diferencia entre las temperaturas superior e inferior del ciclo.
T H
Fuente de calor
qin
Trabajo neto o útil Máquina
qout
T L
Sumidero térmico Figura 1.1 Ciclo directo de Carnot.
(a) Diagrama P-v
(b) Diagrama T-s
Figura 1.2 Diagramas termodinámicos del ciclo de Carnot.
La eficiencia termodinámica del ciclo directo de Carnot se determina con la siguiente expresión: η th ⋅Carnot = 1 ,
T L T H
=
T H - T L T H
La ecuación anterior se deriva de las siguientes:
qin = T H (s2 – s1) y qout = T L (s3 – s4) = T L (s2 – s1)
Por lo tanto:
El ciclo de Carnot es aplicable tanto a ciclos ideales como reales. Asimismo, las temperaturas de la fuente de calor y del sumidero térmico que pudieran usarse en la práctica ni tienen límites. Sin embargo, la temperatura superior del ciclo está limitada por la temperatura máxima que los componentes de la máquina térmica, tales como el
pistón o los álabes de la turbina, puedan soportar. La temperatura inferior está limitada por la temperatura del medio de enfriamiento utilizado en el ciclo tal como el agua de un lago o río o el aire atmosférico.
Segundo principio de la Termodinámica El segundo principio de la termodinámica establece la dirección en que transcurren los procesos térmicos espontáneos en la naturaleza y define las condiciones en que el calor se convierte en trabajo. El principio afirma que en la naturaleza el calor se transfiere espontáneamente sólo de un cuerpo caliente a un cuerpo frío. De acuerdo con el segundo principio de la termodinámica, para convertir el calor en trabajo en cualquier motor térmico se necesitan dos cuerpos a diferentes temperaturas, de tal forma que el rendimiento de dicha máquina será inferior a la unidad, como se vio en el apartado anterior del teorema de Carnot. Así también, el rendimiento térmico de todo ciclo real de un motor térmico será siempre inferior al rendimiento térmico del ciclo de Carnot para un mismo intervalo de temperaturas. Uno de los parámetros más importantes de estado es la entropía “S”. El término Entropía es una tendencia natural de la pérdida del orden. Desde el punto de vista termodinámico, es una magnitud que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo; es el grado de desorden que poseen las moléculas que integran un cuerpo, o también el grado de irreversibilidad alcanzada después de un proceso que implique transformación de energía. En otras palabras, la entropía es la magnitud que mide el grado de degradadación termodinámica de un gas que ha perdido su capacidad para producir trabajo mecánico. La variación de la entropía en un proceso termodinámico reversible se define por una ecuación, que es propiamente la expresión analítica del segundo principio de la termodinámica (ec. De Clausius):
Para 1 kg de sustancia:
Donde dq es una cantidad infinitesimal de calor suministrado o rechazado durante un proceso elemental a temperatura T , en kJ/kg. La entropía es una función de estado, por eso su variación en un proceso termodinámico queda determinada sólo por los valores iniciales y finales de los parámetros de estado. La variación de la entropía en los principales procesos termodinámicos es:
De manera similar, en la tabla 1 se muestra un resumen comparativo de varios procesos. Tabla 1 resumen comparativo de procesos termodinámicos.
Referencias
http://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADa Erojin V. G., Majankó M. G. “Problemas de fundamentos de hidráulica y termotecnia”. Editorial MIR, Moscú. 1986. Cengel, Y.A. and Boles M.A. “Thermodynamics and Engineering Approach”. 4th Edition. McGraw-Hill. USA. 2002. ISBN: 0-07-238332-1.
