1. Definiciones de reversibilidad e irrevesbilidad

Concepto de Reversibilidad

Una definición general de reversibilidad es la cualidad que tiene un sistema de ``ser capaz de ir a través de una serie de acciones (o cambios) ya sea hacia adelante o hacia atrás'' En otras palabras, la idea básica de un proceso reversible es que es capaz de regresar a etapas que anteriormente ya había visitado.

Concepto de irreversibilidad

En termodinámica, el concepto de irreversibilidad se aplica a aquellos procesos que, como la entropía, no son reversibles en el tiempo.. El fenómeno de la irreversibilidad resulta del hecho de que si un sistema termodinámico de moléculas interactivas es trasladado de un estado termodinámico a otro, ello dará como resultado que la configuración o distribución de átomos y moléculas en el seno de dicho sistema variará.

Cierta cantidad de "energía de transformación" se activará cuando las moléculas del "cuerpo de trabajo" interaccionen entre sí al cambiar de un estado a otro. Durante esta transformación, habrá cierta pérdida o disipación de energía calorífica, atribuible al rozamiento intermolecular y a las colisiones.

Lo importante es que dicha energía no será recuperable si el proceso se invierte

2) Características generales del motor rotativo Wankel y Sterling: diagramas p-v, rendimientos, ciclos termodinámicos. Formas de medición de la cámara de combustión.

Diagrama p-v del motor sterling

PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS DE FUNCIONAMIENTO

i. Procesos involucrados:

El ciclo que sigue el portador de energía en el motor rotativo es bastante parecido al ciclo Otto para motores alternativos de cilindro-pistón a gasolina. Este puede ser un análisis general, pero básicamente el motor rotativo que ocupa el análisis en este trabajo es el motor RENESIS del Mazda RX-8 (gasolina sin plomo 95 octanos - encendido mediante 2 bujías).

Dada la geometría del motor, se realizan tres ciclos por cada vuelta del rotor, lo que equivaldría a decir que se realiza un ciclo por cada vuelta del eje (cigüeñal).

La mezcla aire-combustible pasa entonces por los cuatro procesos ya conocidos: admisión, compresión, ignición y expulsión; que como ya se explicó se modelan para efectos de análisis como los cuatro procesos que componen al ciclo Otto:

- Adiabático de compresión: La mezcla aire-combustible se comprime sin transmisión de calor. El rotor gira comprimiendo los gases admitidos durante aproximadamente 120° en su recorrido.

- Isocóro con transmisión de calor: Se idealiza el proceso de combustión por una transmisión de calor al portador de energía a volumenconstante (PMS). El lado del rotor queda frente a las dos bujías.

- Adiabático de expansión: El portador de energía a alta temperatura se expande sin transmisión de calor. Se ejerce la presión contra el rotor, generando el trabajo útil, desde el PMS al PMI.

- Isócoro con transmisión de calor: El proceso se realiza a volumen constante y se libera calor, aquí se completa el ciclo y el flujo de calor al foco de baja temperatura. El rotor queda frente a la lumbrera de escape y se expulsan los gases de combustión.

Motor wankel

Ventajas

Menos piezas móviles: el motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor convencional, tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez está formado por segmentos y regletas), árbol motriz y sistema de refrigeración/engrase (similar a los que montan los motores de pistón). Esto redunda en una mayor fiabilidad.

Suavidad de marcha: todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo sentido (apuntando al sol), en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que está sometido un pistón. Están equilibrados internamente con contrapesos giratorios para suprimir cualquier vibración. Incluso la entrega de potencia se desarrolla en forma más progresiva, dado que cada etapa de combustión dura 90° de giro del rotor y a su vez como cada vuelta del rotor representa 3 vueltas del eje, cada combustión dura 270° de giro del eje, es decir, 3/4 de cada vuelta; compárenlo con un motor monocilíndrico, donde cada combustión transcurre durante 180° de cada 2 revoluciones, o sea 1/4 de cada vuelta del cigüeñal. Se produce una combustión cada 120º del rotor y 360º del eje.

Menor velocidad de rotación: dado que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje y al tocar el freno, las piezas principales del motor se mueven más lentamente que las de un motor convencional, aumentando la fiabilidad.

Menores vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy pequeñas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones, ni movimiento), solo se producen pequeñas vibraciones en la excéntrica.

Menor peso: debido al menor número de piezas que forman el motor en comparación con los de pistones y dado que generalmente se construyen motores de dos o tres rotores de 600 cc o 700 cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo.

La máquina de Carnot es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo. En ella hay un gas sobre el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y contracción entre dos temperaturas. El ciclo termodinámico utilizado se denomina ciclo de Carnot y fue estudiado por Sadi Carnot alrededor de 1820. Una máquina de Carnot es el procedimiento más eficaz para producir un trabajo a partir de dos focos de temperatura.

Puede construirse a partir de un cilindro sobre el que discurre un pistón unido a una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes T1 < T2. Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas se hace isotérmicamante, es decir, manteniendo la temperatura constante. Esta parte del proceso es, por lo tanto, reversible. El ciclo se completa con una expansión y una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor, por lo que esta parte del ciclo es también reversible

Funcionamiento de la Máquina de Carnot

(1) Expansión isotérmica. Se parte de una situación en que el gas ocupa el volumen mínimo Vmin a la temperatura T2 y a presión alta. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T2, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y mantiene su temperatura constante. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón. Dado que la temperatura permanece constante durante esta parte del ciclo, el gas no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo:

dQ1 = dW1 > 0, dU1 = 0.

(2) Expansión adiabática. La expansión isotérmica termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T1 en el momento en que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas alcanza su volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energía interna:

dQ2 = 0, dU2 = dW2 > 0.

(3) Compresión isotérmica. Se pone en contacto con el cilindro la fuente de calor de temperatura T1 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas pero, como la temperatura permanece constante, la energía interna no cambia y el trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1:

dQ3 = dW3 < 0, dU3 = 0.

(4) Compresión adiabática. La fuente T1 se retira en el momento adecuado para que durante el resto de la compresión el gas eleve su temperatura hasta alcanzar exactamente el valor T2 al mismo tiempo que el volumen del gas alcanza su valor mínimo Vmin. Durante esta etapa no hay intercambio de calor y el trabajo realizado sobre el gas se convierte en energía interna:

dQ4 = 0, dU4 = dW4 < = 0.

El rendimiento de una máquina de Carnot (el cociente entre el calor absorbido y el trabajo desempeñado) es máximo y, siendo T2 la temperatura del foco frío y T1 la del foco caliente, puede calcularse como:

Máquina térmicaDe Wikipedia, la enciclopedia libre

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Diagrama de una máquina térmica motora.

Las máquinas térmicas son máquinas de fluido compresible:

En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica.

En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina.

Tal distinción es puramente formal: Los motores térmicos, son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica. Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar, de ahí que en la práctica se denomine Motor Térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica.

Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las máquinas térmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente .

Máquinas térmicas

Motoras Volumétricas Alternativas (Máquina de vapor)

Rotativas (Motor rotativo de

aire caliente)

Turbomáquinas Turbinas

GeneradorasVolumétricas

Alternativas (Compresor de émbolo)

Rotativas (Compresor rotativo)

Turbomáquinas Turbocompresores

[editar] Ciclo termodinámico

Artículo principal: Ciclo termodinámico

El ciclo termodinámico realizado en una máquina térmica consta de varios procesos, en los que se intercambia energía térmica o energía mecánica o ambos a la vez.

En el caso de una máquina térmica motora, los procesos en los que se intercambia energía térmica son: a) De absorción de calor de un foco externo a temperatura elevada denominado foco caliente. b) De cesión de calor a un foco externo a temperatura más baja denominado foco frío.

En una máquina térmica generadora, el intercambio de energía térmica se realiza en el sentido opuesto al descrito anteriormente.

Una máquina térmica en particular, la máquina de Carnot, de construcción teórica, establece los límites teóricos al rendimiento que cualquier máquina térmica real puede obtener al trabajar en función de las temperaturas del foco caliente y del foco frío entre los que trabajo.

Maquina Térmica

Una maquina térmica se puede definir como un dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a través de la transferencia de calor desde un cuerpo a temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura. Con frecuencia el termino maquina térmica se utiliza en un sentido más amplio que incluye a todos los dispositivos que producen trabajo. Entre las que tenemos las maquinas refrigerantes y las bombas de calor. El mejor ejemplo de estas maquinas térmicas son los refrigeradores y bombas de calor que tienen como fin enfriar o calentar un entorno.

Características del ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot utiliza dos fuentes una de Baja temperatura y otra a Alta temperatura las cuales sin importar la cantidad de calor que se transfiera permanecen constantes.

Todos los procesos del ciclo de Carnot son reversibles y por ser así todo el ciclo se podría invertir.

El fluido de trabajo de una maquina térmica en el ciclo de Carnot debe tener una temperatura infinitesimalmente mayor que la fuente de alta temperatura y temperatura infinitesimalmente inferior que la fuente de baja temperatura e el caso de un refrigerador.

Postulado de la segunda ley asociado a las Maquinas térmicas y Maquinas Refrigerante

Enunciado de Kevin-Planck: es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca ningún otro efecto que elevar un peso e intercambiar calor con un solo dispositivo.

Este enunciado propone que es imposible construir una maquina térmica a la cual se le aplique cierta cantidad de calor y lo transforme en una cantidad igual de trabajo, la única manera es a través de una transferencia de calor y eso solo si hay dos niveles de temperatura.

Enunciado de Clausius: es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo mas frio a otro mas caliente.

En este enunciado se relaciona con el refrigerador o bomba de calor. En efecto establece que es imposible construir un refrigerador que funcione sin suministrarle trabajo. Ya que el ciclo de refrigeración necesita que al fluido de trabajo se le aplique un trabajo en el compresor.

Estos dos enunciados tienen tres particularidades: la primera es que la base de la segunda ley viene dado por la evidencia experimental ya que se han realizado varios experimentos que directa o indirectamente demuestran la segunda ley y nunca se ha realizado nunca una prueba que demuestre lo contrario.

La segunda observación es que estos dos enunciados son equivalentes o sea que una violación del enunciado de Kevin-plack significaría una violación del enunciado de Clausius.

La tercera es la imposibilidad de construir una maquina de movimiento perpetuo del segundo tipo.

Eficiencia de una maquina térmica

Se dice que la eficiencia es la relación entre la salida, la energía que se busca tener, y la entrada, la energía que cuesta pero se debe definir la salida y la entrada. Se puede decir que una maquina térmica, la energía que se busca es el trabajo y la energía que cuesta es el calor de la fuente de alta temperatura ( costo del combustible) la eficiencia térmica se define como:

ðTérmica = W (Energía que se busca) = Qh - Ql = 1 - Ql

Qh (Energía que cuesta) Qh Qh

La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de rendimiento, que se identifica con el símbolo ðð En un refrigerador, la energía que se busca es el calor que se transfiere desde el espacio refrigerado. La energía que cuesta es el trabajo, así el coeficiente de rendimiento, ð, es:

ð = Ql (Energía que se busca) = Ql = 1

W ( Energía que cuesta) Qh - Ql Qh/Ql - 1

En una bomba de calor el objetivo es el calor que se transfiere desde el refrigerante al cuerpo de alta temperatura, que es el espacio que se quiere calentar el coeficiente de rendimiento es:

ð = Ql (Energía que se busca) = Qh = 1

W ( Energía que cuesta) Qh - Ql 1- Ql/Qh

Maquinas Refrigerantes y Bombas de Calor

En una maquina refrigerante o refrigerador el fluido de trabajo es el refrigerante como R- 12, R - 22, R - 134ª, R - 407c, Agua destilada y el amoniaco, que pasa por un ciclo termodinámico. El cual comienza en el compresor al cual entra refrigerante a baja presión y temperatura en un estado de vapor saturado y sale como vapor sobrecalentado alta presión llega al condensador donde el refrigerante se condensa transfiriendo el calor al agua o al entorno de manera natural o por flujo forzado, del condensador sale como vapor húmedo y pasa a la válvula de expansión en donde baja su presión y pasa al evaporador donde todo el refrigerante se evapora mediante una transferencia de calor del entorno al fluido de trabajo, este vapor entra nuevamente al compresor cumpliéndose el ciclo.

Introducción

El análisis de la segunda ley de la termodinámica nos da a entender el segundo paso hacia el estudio de los procesos termodinámicos que comenzó con la ley cero y la primera ley las cales solo hacen el estudio solo a procesos reversible que no toman en cuenta factores como la fricción, expansión irrestricta, la transferencia de calor y la mezcla de dos sustancias diferentes, y que al tratar de invertir el proceso no hay cambios ni en el sistema ni el entorno cosa que no sucede en la vida real en donde la mayoría de los procesos son irreversibles. La particularidad de esta segunda ley son sus dos postulados principales que hacen referencia directamente al funcionamiento de maquinas térmicas, asi como el enunciado de Carnot que plantea una Maquina térmica reversible con una eficiencia muy alta.

Conclusión

La segunda ley de la termodinámica surge como una respuesta al vació e incomprensión que deja la primera ley con respecto a lo sistemas irreversible los cuales son prácticamente ignorados, con la segunda ley aparece un nuevo termino llamado eficiencia y rendimiento térmico, estos dos términos son muy importante para la industria por que permiten determinar cual es el rendimiento de una maquina térmica ya sea un refrigerador o una bomba de calor obteniendo así información acerca del proceso termodinámico y por ende la modificación o el diseño de un refrigerador o bomba de calor optimo. Se pudo observar el por que las industrias que tuvieran una maquina térmica buscaban fuentes de agua naturales y espacios apartados, todo esto debido a que uno de los principios de la segunda ley son fuentes de baja y alta temperatura que puedan mantenerse constantes sin importar la transferencia de calor. Por ultimo el principio mas fundamental de esta ley es la experimentación practica ya que de ahí provienen dos de los postulados base de esta ley.

Una bomba de calor es similar a un refrigerador la única diferencia es el propósito de la maquina térmica mientras que en un refrigerador se quiere que haya una transferencia de calor del entorno a la maquina térmica logrando asi bajar la temperatura del entorno, en la bomba la transferencia sucede desde la maquina térmica al entorno buscando asi el calentamiento del ambiente.

La máquina de Carnot.

La máquina de Carnot puede pensarse como un cilindro con un pistón y una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes T1 < T2. Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas del cilindro se hace isotérmicamante, es decir, manteniendo la temperatura constante lo cual hace que esa parte del proceso sea reversible. El ciclo se completa con una expansión y una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor, que son también procesos reversibles.

La máquina funciona así:

1) Expansión isotérmica. Se parte de una situación en que el gas ocupa el volumen mínimo Vmin y se encuentra a la temperatura T2 y la presión es alta. Entonces se acerca la fuente de calor de temperatura T2 al cilindro y se mantiene en contacto con ella mientras el gas se va expandiendo a consecuencia de la elevada presión del gas. El gas al expandirse tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y así mantiene su temperatura constante durante esta primera parte de la expansión. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón que se transfiere al movimiento circular. La temperatura del gas permanece constante durante esta parte del ciclo, por tanto no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo. 

dQ1 = dW1 >= 0 , dU1 = 0

2) Expansión adiabática. La expansión isotérmica termina en un punto preciso tal que el resto de la expansión, que se realiza adiabáticamente (es decir sin intercambio de calor, el cilindro se mantiene   totalmente aislado de cualquier fuente de calor), permite que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T1 en el momento en que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas su alcanza su volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energía interna.

dQ2 = 0 , dU2 = dW2 >= 0

3) Compresión isotérmica. Se pone la fuente de calor de temperatura T1 en contacto con el cilindro y el gas comienza a comprimirse pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría T2. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas, pero como la temperatura permanece constante, la energía interna del gas no cambia y por tanto ese trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1. 

dQ3 = dW3 <= 0 , dU3 = 0

4) Compresión adiabática. La fuente T1 se retira en el momento adecuado para que durante el resto de la compresión el gas eleve su temperatura hasta alcanzar exactamente el valor T2 al mismo tiempo que el volumen del gas alcanza su valor mínimo Vmin. Durante esta etapa no hay intercambio de calor, por eso se llama compresión adiabática, y se realiza un trabajo sobre el gas todo el cual se convierte en energía interna del gas. 

dQ4 = 0 , dU4 = dW4 <= 0

El ciclo 1) 2) 3) 4) se repite indefinidamente

MOTORES TÉRMICOS

Un motor térmico es un dispositivo capaz de transformar calor (energía térmica) en trabajo (energía mecánica) de modo continuo.

Para ello, el motor describe ciclos termodinámicos entre dos focos a diferente temperatura. Del foco a temperatura más elevada (T1), absorbe una cantidad de calor (Q1) Parte de este calor lo transforma en trabajo (W) y el resto (Q2) es cedido al foco a menor temperatura (T2).

En la figura inferior podemos ver el esquema de un motor térmico.

Según el 2º Principio, Q2 nunca puede ser cero.

El rendimiento de un motor térmico es la relación existente entre el trabajo producido y el calor absorbido.

Los corolarios de Carnot marcan cuál es el rendimiento máximo que se puede obtener en un motor térmico.

"Todos los ciclos reversibles que operan entre los mismos focos de temperatura tienen el mismo rendimiento, que además es el máximo."

El teorema de Carnot relaciona el rendimiento máximo del motor térmico reversible con la temperatura de los focos:

Carnot diseñó un ciclo termodinámico reversible y que, por lo tanto, poseía el máximo rendimiento que puede tener una máquina térmica.

El ciclo de Carnot esta formado por 4 etapas. Dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones adiabáticas. En el diagrama (presión - volumen) inferior podemos observar el ciclo de Carnot. 

 

Además del ciclo de Carnot existen otros ciclos que poseen el rendimiento máximo. Entre ellos, los más conocidos son:

1. El ciclo de Ericsson: En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotermas y dos isobaras. En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Ericsson.

 

2. El ciclo de Stirling: En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones a volumen constante (isocoras). En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Stirling.

3. El ciclo de Bouasse: En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones lineales. En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Bouasse.

 

MÁQUINAS   TÉRMICAS INVERSAS

Con las máquinas inversas lo que conseguimos es calentar o enfriar una zona a expensas de consumir un trabajo. El calor (Q2) que absorbe de uno de los focos gracias al trabajo (W) aportado, es cedido, junto con éste trabajo, al segundo foco térmico.

En esta figura podemos ver el esquema de una máquina inversa.

 

Si el efecto útil perseguido es el calor cedido tenemos una bomba de calor. La eficiencia de una bomba de calor es la relación existente entre el calor cedido y el trabajo aportado.

Si el efecto útil perseguido es el calor absorbido tenemos una máquina frigorífica. La eficiencia de una máquina frigorífica es la relación entre el calor  absorbido y el trabajo aportado.

 Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.

La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente

Tramo A-B isoterma a la temperatura T1

Tramo B-C adiabática

Tramo C-D isoterma a la temperatura T2

Tramo D-A adiabática

En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales:

La presión, volumen de cada uno de los vértices. El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos. El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo.

Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla.

Variables A B C D

Presión p (atm) pA

Volumen v (litros) vA vB

Temperatura T (K) T1 T1 T2 T2

 

Las etapas del ciclo

Para obtener las variables y magnitudes desconocidas emplearemos las fórmulas que figuran en el cuadro-resumen de las transformaciones termodinámicas.

1. Transformación A->B (isoterma)

La presión pB se calcula a partir de la ecuación del gas ideal

Variación de energía interna

Trabajo

Calor  

2. Transformación B->C (adiabática)

La ecuación de estado adiabática es o bien, . Se despeja vc de

la ecuación de la adiabática . Conocido vc y T2 se obtiene pc, a partir

de la ecuación del gas ideal. .

Calor

Variación de energía interna

Trabajo  

3. Transformación C->D (isoterma)

Variación de energía interna

Trabajo

Calor

 

4. Transformación D-> A (adiabática)

Se despeja vD de la ecuación de la adiabática . Conocido vD y T2 se obtiene

pD, a partir de la ecuación del gas ideal. .

Calor

Variación de energía interna

Trabajo

 

El ciclo completo

Variación de energía interna

En un proceso cíclico reversible la variación de energía interna es cero

Trabajo

Los trabajos en las transformaciones adiabáticas son iguales y opuestos. A partir de las ecuaciones de las dos adiabáticas, la relación entre los volúmenes de los vértices  es

, lo que nos conduce a la expresión final para el trabajo.

Calor

En la isoterma T1 se absorbe calor Q>0 ya que vB>vA de modo que

En la isoterma T2 se cede calor Q<0 ya que vD<vC

Rendimiento del ciclo

Se define rendimiento como el cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido

 

Motor y frigorífico

Un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe un ciclo de Carnot. Trabaja entre dos focos, tomando calor Q1 del foco caliente a la temperatura T1, produciendo un trabajo W, y cediendo un calor Q2 al foco frío a la temperatura T2.

En un motor real, el foco caliente está representado por la caldera de vapor que suministra el calor, el sistema cilindro-émbolo produce el trabajo  y se cede calor al foco frío que es la atmósfera.

La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso, denominándose entonces frigorífico. Se extraería calor Q2 del foco frío aplicando un trabajo W, y cedería Q1 al foco caliente.

En un frigorífico real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer un calor del foco frío (la cavidad del frigorífico) y se cede calor al foco caliente, que es la atmósfera.

Rendimiento de Ciclo de Carnot:

En el párrafo precedente quedó claro que todas las máquinas cíclicas, motrices y reversibles tienen el mismo rendimiento. Por lo tanto basta calcular el rendimiento de un ciclo reversible y todos los demás (que operan entre las mismas fuentes de claro) serán iguales.    

Figura 5.15 El ciclo de Carnot está compuesto por dos isotermas y dos adiabáticas sin roce. En un diagrama p-V se puede dibujar como se indica en la figura 5.15. Si el ciclo se recorre a favor de los punteros del reloj, se trata de ciclo motriz. Si se recorre en contra de los punteros del reloj, es un ciclo receptor de trabajo o de refrigeración.

En realidad la pendiente de las isotermas y adiabáticas son más parecidas entre sí a lo que aparece en la figura. Por ello el área encerrada por un ciclo de Carnot de un gas perfecto es pequeña.

Calculemos el rendimiento de este ciclo. Del primer principio tenemos que:  

Ahora debemos calcular el calor absorbido y cedido:

Por lo tanto:

De la ecuación de rendimiento del ciclo de Carnot fluye la idea de temperatura

termodinámica o temperatura absoluta. La idea es que existe una propiedad de la fuente de calor, llamada su temperatura absoluta que está ligada al rendimiento termodinámico obtenible de la misma.  

Diagrama presión volumen wankel