qué es el ciclo de Carnot y sus características

La invención, por parte de Sadi Carnot, del ciclo que lleva su nom­bre es uno de los mayores aconte­cimientos de la historia, tanto de las ciencias como de la técnica, porque funda una nueva ciencia, la termodinámica, que influirá profundamente en la física y en la mecánica. En CurioSfera-Ciencia.com, te explicamos qué es el Ciclo de Carnot y sus características.

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Origen del ciclo Carnot

Cuando tenía veintio­cho años, en 1824, Carnot, hijo de un ministro de la Guerra de Bonaparte, publicó las Reflexions sur la puissance motrice du feu et les machi­nes propres á développer cette puis­sance [Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y de las máquinas destinadas a desarrollar esta poten­cia].

inventor del ciclo Carnot

En ella se propone enunciar una teoría de la máquina a vapor. El prodigio de su invención consiste en que se basa en una noción falsa: Carnot, al igual que sus contemporáneos, consideraba que el calor era un fluido, el calórico, noción que es un avatar de las teorías sobre el flogisto, de las que Lavoisier hizo justicia en 1777 con el descubrimiento del oxígeno.

La fí­sica entonces apenas balbuceaba y la noción de agitación de partícu­las estaba aún a casi tres cuartos de siglo de distancia (de hecho, no aparecerá hasta principios del siglo XX, cuando llegaron a ser asimi­ladas las teorías del alemán Ludwig Boltzmann).

Por tanto, Carnot se representaba también la máquina de vapor como una especie de molino en el que el flujo del calóri­co empujaba las piezas móviles. No es la única vez que una idea falsa conduce a una noción exacta.

Teoría de Carnot

Carnot dedujo de su constructo in­telectual que el calórico se conserva como se conserva el agua de un molino, el calor pasa de un nivel elevado a un nivel inferior, porque, para que haya trabajo, hay que interrumpir el ciclo del calórico. Sobre esta base describió un ciclo teórico perfecto.

Para comprender cómo funciona la máquina ideal del ciclo de Carnot, hay que precisar algunas nociones:

teoría de Carnot

  • La primera es que cuando un pistón comprime un gas en un cilindro, la temperatura de ese gas se eleva y se dice, en este caso, que la compresión es adiabática.
  • Si el cilindro contiene una masa cualquiera que absorbe su excedente de calor, su temperatura no varía y entonces la compresión es isoterma.
  • Si el gas contenido en el cilindro está aisla­do y, por tanto, no hay intercam­bio, positivo o negativo, con el medio exterior, la compresión es adiabática.

En compresión adiabática la presión aumenta más que en una compresión isoterma, por el hecho de que la presión inicial provoca una presión suplementa­ria debida al calor.

La idea de Carnot es que en un cilindro en contacto con una fuente caliente, como en el motor de Stirling, el cual nace­ría a partir del ciclo de Carnot, hay que distinguir cuatro tiempos:

características del ciclo de Carnot

  1. El primero es aquel en el que el pistón A está en el extremo de su recorrido por la expansión del gas; es una expansión isoterma porque la fuente caliente exterior compensa la pérdida de calorías inherente a la descompresión.
  2. En el segundo tiempo, de B a C, el final de la expansión es adiabática, porque hay enfriamiento del gas por la descompresión.
  3. En el tercer tiempo, de C a D, la compresión es isoterma.
  4. El cuarto tiempo, de D a A, finaliza en una fase adiabática.

Son los tiempos de compresión los que consumen trabajo, los dos tiempos de expansión lo proporcionan. Por tanto, postula Carnot, es necesario que el trabajo proporcionando en la fase motriz no se utilice en su totalidad para reconstruir las condiciones iniciales de presión, con el fin de que la segunda compresión consuma menos trabajo del que ha proporcionado la expansión.

Carnot propone entonces, que se enfríe el gas en un punto dado de la expansión. El punto B, en el que el volumen del gas alcanza el máximo de su expansión y proporciona el rendimiento máximo, a partir del cual es necesario que la expansión se concluya en una fase adiabática.

De tal modo que, del punto C al punto D, la compresión, que se realizará con un gas enfriado, exigirá menos trabajo. Ésta será entonces una compresión isoterma.

En este punto, el contacto con la fuente fría se corta y es necesario que la compresión se concluya con una fase productora de calor con el fin de proporcionar energía al ciclo siguiente. Esta última fase será, pues, adiabática. En efecto, Carnot divide compresión y ex­pansión en dos partes, una isoter­ma y otra adiabática.

Conclusión

La lección de esta demostración es que, para obtener trabajo a partir de la energía proporcionada por una fuente de calor, es necesario ceder una parte de esa energía a una fuente fría.

La utilización de la energía sólo se hace aprove­chando un desequilibrio, sin el cual el ciclo de energía es comple­tamente isotermo y cerrado (lo que se designa con el nombre de ciclo de Atkins).

Esta máquina original consti­tuye una demostración de lo que se convertirá en el segundo prin­cipio de la termodinámica (sien­do el primero el de la conservación de la energía, resumido en la célebre frase: «nada se pierde, nada se crea»).

Conviene hacer notar que fue el francés Émile Clapeyron quien rea­lizó un análisis más fino del ciclo de Carnot en su Memoire sur la puissan- ce motrice du feu (Memoria sobre la po­tencia motriz del fuego), publicada en 1834. Que llamó la atención de la co­munidad de sabios sobre el genial hallazgo de Carnot.

La influencia del ciclo de Carnot en la explotación de la máqui­na de vapor y de todas las máqui­nas (si éstas implicaban necesaria­mente una transferencia de ener­gía) dura aún hoy. Ella determinó especialmente el desarrollo del motor Stirling, que es una de las aplicaciones más puras y cuya construcción sólo ha co­menzado a dominarse en la se­gunda mitad del siglo XX.

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