Ciclo de Carnot y Ciclo de Carnot Inverso
Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico conocido por su máxima eficiencia posible. El ciclo de Carnot transforma la energía disponible en forma de calor para producir procesos útiles reversibles-adiabáticos (isotérmicos) y otros procesos.
La eficiencia del motor de Carnot es uno menos la relación de la temperatura del reservorio térmico caliente a la temperatura del reservorio frío. El ciclo de Carnot es conocido por establecer el punto de referencia más alto de eficiencia que cualquier ciclo o motor puede alcanzar.
Se realiza trabajo por el fluido de trabajo durante la primera parte del ciclo y se realiza trabajo sobre el fluido de trabajo durante la segunda parte del ciclo. La diferencia entre los dos es el trabajo neto realizado.
La eficiencia del ciclo se puede maximizar utilizando procesos que requieren la menor cantidad de trabajo y entregan lo máximo utilizando procesos reversibles. Prácticamente, los ciclos reversibles no pueden lograrse debido a la irreversibilidad asociada con cada proceso, que no puede eliminarse.
Los refrigeradores y motores térmicos que funcionan en ciclos reversibles se consideran modelos para comparar los motores térmicos y refrigeradores reales. En el desarrollo del ciclo real, el ciclo reversible sirve como punto de partida y se modifica para cumplir con los requisitos.
El ciclo de Carnot está compuesto por cuatro procesos reversibles (2 isotermales reversibles y 2 adiabáticos reversibles) que son los siguientes:
El Ciclo de Carnot se demuestra a continuación a través del ejemplo relevante del pistón:
PASO 1 – 2
(Expansión isotérmica reversible, Th = Constante)
TH es la temperatura inicial del gas y también la temperatura del reservorio, que está en contacto cercano con la cabeza del cilindro.
La temperatura del gas disminuye cuando se expande, y se mantiene constante transfiriendo calor infinitesimal (dT) desde el reservorio al gas.
La cantidad de calor transferida durante el proceso al gas es Qh
PASO 2 – 3
(Expansión adiabática reversible, caída de temperatura de TH a TL)
El sistema se vuelve adiabático cuando el reservorio de calor se reemplaza por aislamiento. Durante este proceso, la temperatura del gas disminuye de Th a Tl.
Este proceso se llama reversible y adiabático (nota que termodinámica de ingeniería tiene una definición específica para sistemas y procesos).
PASO 3 – 4
(Compresión isotérmica reversible, Tl = constante)
En la etapa 3, el sumidero de calor reemplaza el aislamiento de la cabeza del cilindro a la temperatura Tl. Cuando una fuerza externa empuja el pistón hacia adentro para realizar trabajo sobre el gas, la temperatura del gas aumenta.
Pero la temperatura del gas se mantiene constante rechazando calor al sumidero. La cantidad de calor rechazado durante el proceso es Ql.
PASO 4 – 1
(Compresión adiabática reversible, aumento de temperatura de Tl a Th)
El sumidero de energía se reemplaza con aislamiento y la temperatura del gas aumenta de Tl a Th durante el proceso de compresión.
Trabajo Neto Realizado
El trabajo realizado por el gas durante el proceso de expansión es el área bajo la curva 1-2-3.
El trabajo realizado sobre el gas durante el proceso de compresión es el área bajo la curva 3-4-1
Así, el trabajo neto realizado es dado por el área bajo la trayectoria 1-2-3-4-1.
Importancia del Ciclo de Carnot
La eficiencia del motor térmico depende de la temperatura máxima y mínima del ciclo:
Carnot afirma que la eficiencia del motor térmico es independiente del tipo de fluido y solo depende de las temperaturas máxima y mínima durante el ciclo.
Por lo tanto, la eficiencia del motor térmico es mayor cuando opera a temperaturas de vapor sobrecalentado.
Ciclo de Carnot y Segunda ley de la termodinámica:
El ciclo de Carnot demostró claramente que el calor se absorbe desde una fuente de alta temperatura llamada reservorio y el calor se rechaza al sumidero. Este hecho se convierte en la base de la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, se requiere trabajo externo para mover el calor en dirección contraria.
Ciclo de Carnot Inverso
Ciclo de Carnot es un ciclo reversible, y se convierte en el ciclo de refrigeración de Carnot cuando el proceso se invierte. La dirección de las interacciones de calor y trabajo se invierten completamente, por lo tanto
Así,
El calor absorbido desde el reservorio de baja temperatura es Ql
El calor rechazado al reservorio de alta temperatura es Qh
El trabajo realizado es Wnet-in
Ciclo de Carnot inverso es el mismo que el ciclo de Carnot convencional, excepto por la dirección de los procesos.
Historia del Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot lleva el nombre de "N. L. Sadi Carnot", quien lo inventó en 1824. Sadi Carnot es referido como el fundador de la termodinámica por descubrir la relación entre el calor y el trabajo. Carnot fue uno de los primeros en darse cuenta de que el calor es esencialmente trabajo en una forma diferente.
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