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2° curso · Física
Principios y procesos de la termodinámica · Los principios de la termodinámica

Ciclos termodinámicos: el ciclo de Carnot

El motor de un auto o de un colectivo quema combustible, pero solo una parte de esa energía termina moviendo las ruedas. El resto se va como calor por el escape y el radiador. ¿Se puede fabricar un motor que aproveche todo el calor? ¿Y cuál es el máximo que permite la naturaleza? Al final de la página volvés a esta pregunta.

Ciclos y máquinas térmicas

Una máquina térmica convierte calor en trabajo. Para funcionar una y otra vez, el gas del interior tiene que volver siempre a su estado inicial: eso es un ciclo termodinámico.

Como $\Delta U = 0$ en un ciclo, el primer principio ($\Delta U = Q - W$, con $W$ el trabajo realizado por el gas) dice que el trabajo neto es igual al calor neto:

$$W = Q_c - Q_f$$

donde $Q_c$ es el calor que la máquina toma de la fuente caliente y $Q_f$ el que cede a la fuente fría (ambos en valor positivo).

Esquema de una máquina térmica: toma calor Qc de la fuente caliente, entrega trabajo W y cede calor Qf a la fuente fría. Fuente caliente Tc Máquina Fuente fría Tf Qc Qf W
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Una máquina térmica toma $2.000\ \text{J}$ de calor de la fuente caliente y cede $1.200\ \text{J}$ a la fuente fría en cada ciclo. Calculá el trabajo útil que realiza…

Una máquina térmica toma $2.000\ \text{J}$ de calor de la fuente caliente y cede $1.200\ \text{J}$ a la fuente fría en cada ciclo. Calculá el trabajo útil que realiza por ciclo y su rendimiento.

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Las cuatro etapas del ciclo de Carnot

En 1824 Sadi Carnot imaginó una máquina ideal, sin rozamiento, que funciona con un gas entre dos fuentes de temperatura constante, $T_c$ (caliente) y $T_f$ (fría). Su ciclo combina dos procesos que ya conocés: isotérmicos y adiabáticos.

Etapa Proceso Qué pasa con el gas Calor
1 → 2 Isotérmico a $T_c$ Se expande Absorbe $Q_c$
2 → 3 Adiabático Se expande y se enfría de $T_c$ a $T_f$ $Q = 0$
3 → 4 Isotérmico a $T_f$ Se comprime Cede $Q_f$
4 → 1 Adiabático Se comprime y se calienta de $T_f$ a $T_c$ $Q = 0$
Diagrama presión-volumen del ciclo de Carnot: dos curvas isotérmicas y dos adiabáticas que forman un ciclo cerrado recorrido en sentido horario. V p 1 2 3 4 1→2 y 3→4: isotérmicas 2→3 y 4→1: adiabáticas

El ciclo se recorre en sentido horario: en la expansión (1→2→3) la presión es mayor que en la compresión (3→4→1), por eso el área encerrada es el trabajo neto que entrega la máquina.

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Describí cuáles son las cuatro etapas del ciclo de Carnot, indicando para cada una si es isotérmica o adiabática y si el gas se expande o se comprime.

Describí cuáles son las cuatro etapas del ciclo de Carnot, indicando para cada una si es isotérmica o adiabática y si el gas se expande o se comprime.

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Rendimiento de Carnot

Para el ciclo de Carnot se demuestra (acá no lo hacemos) que los calores son proporcionales a las temperaturas absolutas: $Q_f/Q_c = T_f/T_c$. Entonces:

Fijate que el rendimiento depende solo de las dos temperaturas, no del gas ni del tamaño de la máquina. Y que solo valdría 1 si $T_f = 0\ \text{K}$, el cero absoluto, que la tercera ley dice que no se alcanza.

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Una máquina de Carnot trabaja entre una fuente caliente a $600\ \text{K}$ y una fuente fría a $300\ \text{K}$. Calculá su rendimiento y expresalo en porcentaje.

Una máquina de Carnot trabaja entre una fuente caliente a $600\ \text{K}$ y una fuente fría a $300\ \text{K}$. Calculá su rendimiento y expresalo en porcentaje.

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Una máquina de Carnot opera entre una caldera a $527\ °\text{C}$ y un ambiente a $27\ °\text{C}$. Convertí las temperaturas a kelvin y calculá el rendimiento máximo…

Una máquina de Carnot opera entre una caldera a $527\ °\text{C}$ y un ambiente a $27\ °\text{C}$. Convertí las temperaturas a kelvin y calculá el rendimiento máximo posible. Si en cada ciclo toma $5.000\ \text{J}$ de la caldera, calculá el trabajo que entrega y el calor que cede al ambiente.

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Cómo mejorar el rendimiento

Como $\eta = 1 - T_f/T_c$, el rendimiento sube si aumenta $T_c$ o si baja $T_f$. Compará los valores de la tabla de abajo y fijate cómo cambia $\eta$.

$T_c$ $T_f$ $T_f/T_c$ $\eta$
$400\ \text{K}$ $300\ \text{K}$ $0{,}75$ $25\,\%$
$600\ \text{K}$ $300\ \text{K}$ $0{,}50$ $50\,\%$
$900\ \text{K}$ $300\ \text{K}$ $0{,}33$ $67\,\%$
$900\ \text{K}$ $100\ \text{K}$ $0{,}11$ $89\,\%$

En la práctica la fuente fría suele ser el ambiente o un río, cuya temperatura no podemos bajar a voluntad. Por eso se busca subir $T_c$: calderas y turbinas más calientes, hasta donde aguantan los materiales.

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Una máquina de Carnot trabaja con una fuente fría a $300\ \text{K}$. Compará su rendimiento cuando la fuente caliente está a $400\ \text{K}$ y cuando está a…

Una máquina de Carnot trabaja con una fuente fría a $300\ \text{K}$. Compará su rendimiento cuando la fuente caliente está a $400\ \text{K}$ y cuando está a $900\ \text{K}$. Interpretá el resultado: ¿qué conviene hacer para aumentar el rendimiento, subir la temperatura de la fuente caliente o bajar la de la fuente fría? Justificá con los valores.

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Tania diseña una máquina de Carnot que entrega $3.000\ \text{J}$ de trabajo por ciclo y cede $9.000\ \text{J}$ a la fuente fría, que está a $300\ \text{K}$. Calculá el…

Tania diseña una máquina de Carnot que entrega $3.000\ \text{J}$ de trabajo por ciclo y cede $9.000\ \text{J}$ a la fuente fría, que está a $300\ \text{K}$. Calculá el calor que toma de la fuente caliente, el rendimiento de la máquina y la temperatura de la fuente caliente.

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Carnot como límite: la segunda ley

La segunda ley asegura un resultado clave: ninguna máquina térmica que opere entre las mismas dos temperaturas puede tener mayor rendimiento que una máquina de Carnot.

$$\eta_{real} \le \eta_{Carnot} = 1 - \frac{T_f}{T_c}$$

Esto da un criterio para evaluar afirmaciones: si alguien declara un rendimiento mayor que el de Carnot, es imposible.

Las máquinas reales quedan por debajo del límite por varias causas: rozamiento entre piezas, pérdidas de calor por las paredes, procesos que no son lo bastante lentos (no reversibles) y combustión incompleta. Todo ese calor extra termina en el ambiente.

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Un inventor afirma haber construido una máquina térmica que opera entre $500\ \text{K}$ y $300\ \text{K}$, que toma $4.000\ \text{J}$ por ciclo de la fuente caliente y…

Un inventor afirma haber construido una máquina térmica que opera entre $500\ \text{K}$ y $300\ \text{K}$, que toma $4.000\ \text{J}$ por ciclo de la fuente caliente y entrega $2.000\ \text{J}$ de trabajo. Calculá el rendimiento que declara y el máximo posible. Decidí si la afirmación es físicamente aceptable y argumentá con la segunda ley. Luego indicá cuál sería el trabajo máximo que podría entregar con ese mismo calor de entrada.

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Una central térmica ideal funciona como máquina de Carnot entre vapor a $800\ \text{K}$ y un río a $300\ \text{K}$, y entrega una potencia útil de $50\ \text{MW}$.…

Una central térmica ideal funciona como máquina de Carnot entre vapor a $800\ \text{K}$ y un río a $300\ \text{K}$, y entrega una potencia útil de $50\ \text{MW}$. Calculá su rendimiento, la potencia calórica que debe tomar de la fuente caliente y la potencia que cede al río en forma de calor. Después analizá: ¿por qué una central real, con el mismo par de temperaturas, tiene un rendimiento menor? Mencioná al menos dos causas y explicá qué consecuencia tiene para el río, como el río Paraguay, recibir ese calor.

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Resumen

  • Un ciclo devuelve el gas a su estado inicial: $\Delta U = 0$ y $W = Q_c - Q_f$.

  • Rendimiento: $\eta = W/Q_c = 1 - Q_f/Q_c$; nunca llega a 1.

  • Ciclo de Carnot: isotérmica de expansión, adiabática de expansión, isotérmica de compresión, adiabática de compresión.

  • $\eta_{Carnot} = 1 - T_f/T_c$, con temperaturas en kelvin ($T_K = t_{°C} + 273$).

  • Ninguna máquina entre $T_c$ y $T_f$ supera el rendimiento de Carnot; las reales quedan por debajo.

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