Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot se produce cuando una máquina absorbe cierta cantidad de calor (Q1) de una fuente que se encuentra a alta temperatura (T1) y cede un calor (Q2) al foco frío (T2) generando u trabajo (W) útil. Una máquina que trabaje en estas condiciones, entre dos focos de calor a temperaturas constantes, se denomina máquina de Carnot, y podemos imaginarla como un cilindro con un émbolo que, unido a una biela, transforma el movimiento lineal alternativo del émbolo en movimiento circular (ver la infografía de la parte inferior de la entrada) y capaz de obtener un rendimiento mayor (se trata de una máquina ideal) que cualquier máquina real que funcione entre las mismas fuentes térmicas y que viene dado por la expresión:

h = W/Q1 = (Q1 - Q2)/Q1 = 1- (Q2/Q1)

Al tratarse de un ciclo ideal (no se da en la naturaleza, donde todas las transformaciones termodinámicas son irreversibles) el ciclo es reversible y por tanto puede invertirse, de forma tal que la máquina absorbería calor del foco frío y lo cedería al caliente siempre que existiese un aporte de trabajo externo. En el primer caso, cuando la máquina extrae calor del foco caliente hablaremos de una bomba de calor, mientras que si la máquina extrae el calor del foco frío nos encontraremos con una máquina frigorífica.
El ciclo se compone de cuatro etapas: dos isotermas y dos adiabáticas (puedes recordar los cuatro tipos principales de transformaciones termodinámicas en este enlace del Catedu). Más detenidamente, las etapas para un motor de Carnot son:
1.      Expansión isotérmica del cilindro a la temperatura T1. En este tiempo, el cilindro genera trabajo y absorbe calor Q1,
2.      Expansión adiabática. En este tiempo se produce trabajo y, al mismo tiempo, baja la temperatura del gas.
3.      Compresión isotérmica. En este tiempo el gas se comprime a la temperatura constante (T2) del foco frío, cediendo una cierta cantidad de calor Q2. La etapa consume trabajo.
4.      Compresión adiabática. El gas se comprime adiabáticamente, es decir, sin que haya intercambio de calor. Su temperatura sube de T2 a T1 finalizando el ciclo.


Aquí te dejo la infografía prometida, tomada de Galileo and Einstein y traducida por…, bueno, vaya por delante nuestro agradecimiento:



Se apuntaba más arriba que todos los procesos naturales (reales) porque contienen alguna irreversibilidad mecánica (rozamientos), térmica (gradientes de temperatura) o de otro tipo que, aunque pueden minimizarse, no pueden anularse totalmente y, de acuerdo con el primer teorema que enunció el mismo Carnot, la eficiencia de los ciclos reales será forzosamente inferior a la de los ciclos teóricos.