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sábado, 7 de julio de 2012

CICLO DE CARNOT

A modo de introducción se dará el concepto de proceso reversible. Un proceso reversible es aquel donde un sistema termodinámico sufre un cambio de estados de equilibrio, pasando de uno inicial a uno final con algunos estados intermedios; es decir es un proceso donde después de pasar por un número de estados, llega a sus mismas condiciones iniciales, y las del medio que lo rodea.

Existen varias máquinas térmicas que trabajan en transferencia de calor, sin embargo en 1824 Sadi Carnot se dió cuenta de que las máquinas que funcionan de manera reversible son más eficientes. Por lo general suele llamarse el funcionamiento de dichas máquinas como "ciclo de Carnot".

El ciclo de carnot se da cuando un elemento se encuentra en medio de dos fuentes de calor, una de más alta temperatura que la otra, de tal manera que el elemento absorbe calor de la fuente más elevada y  cede calor a la fuente de menor temperatura, produciendo un trabajo en el exterior.

Este ciclo consta de dos etapas dos que se dan a temperatura constante(Isotérmicos) y dos adiabáticos en los que no se da ningún cambio de temperatura (no absorbe ni cede). Este proceso se indica como una transformación bitérmica.
El rendimiento del ciclo se puede describir como:


Este proceso es cíclico, por lo cual no encontraremos un cambio de energía interna y tendremos por la primera ley de la termodinámica:


Diagrama Ciclo de carnot
Fuente: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm 

Aquí se presenta el diagrama presión-volumen del ciclo de carnot en el que el tramo AB representa la isoterma de la temperatura mayor, el tramo BC es la transformación adiabática, CD es la isoterma de menor temperatura y DA es otra transformación adiabática.

DESCRIPCIÓN DEL CICLO

En cuanto a la energía interna al ser un proceso cíclico, esta es cero.
El trabajo va a estar determinado por:


Los trabajos en las transformaciones adiabáticas son iguales y opuestos.
En cuanto al calor, en el proceso relacionado con la isoterma T1 un elemento absorbe calor se la fuente de mayor temperatura, en el caso del proceso relacionado con la isoterma T2  el elemento cede calor a la fuente de menor temperatura.
Para el caso donde se absorbe temperatura tenemos que:


La importancia del ciclo de carnot radica en que diferentes procesos termodinámicos se pueden dividir en ciclos de carnot.
Básicamente el ciclo de carnot se basa en una serie de elementos, un  gas que se encuentra en un cilindro-pistón y dos fuentes de temperatura, una más elevada que la otra.
En primer lugar  tenemos un gas comprimido adiabáticamente, inicialmente el cilindro-pistón está en contacto con una base térmicamente aislada, luego el gas sufre una expansión isotérmica de tal manera que comienza a absorber calor y recibiendo  una energía Qc de la fuente de más elevada temperatura.
Seguidamente el gas se expande adiabáticamente de tal manera que la temperatura va disminuyendo debido a la transferencia de calor que se da entre en cilindro-pistón y la fuente de menor temperatura.
Finalmente el sistema vuelve a sus condiciones iniciales después de haber cedido energía a la fuente de menor temperatura.
A continuación encontramos gráficamente este proceso.
Descripción gráfica ciclo de carnot
Fuente:  http://aliceincxland.blogspot.com/2010/04/ciclo-de-carnot.html 

Para que la transferencia de calor  durante el proceso sea reversible la diferencia entre la temperatura de la fuente de temperatura y el gas debe muy pequeña.
Es muy importante tener en cuenta que el ciclo de carnot no solo se limita a un sistema cerrado, por lo general este ciclo es de gran importancia al igual que el ciclo de Rankine en las centrales termoeléctricas.
En el caso del ciclo de carnot en la central termoeléctrica se da en el momento en que el agua que es introducida en la caldera comienza a evaporarse por medio de la transferencia de calor de un combustible que está siendo quemado, esta sería la fuente de temperatura más elevada. En este proceso la temperatura d la fuente será constante y la presión del vapor en el ciclo también lo será. Enseguida el vapor pasa de la caldera a una turbina donde se expande (adiabáticamente) y produce un trabajo, aquí la temperatura y la presión disminuyen y a medida que va pasando al condensador el vapor va cediendo temperatura a la fuente de menor temperatura que en el caso de las termoeléctrica es viento o agua de menor temperatura y este vapor condensado convertido en líquido de nuevo tiene las condiciones iniciales para repertir nuevamente el proceso.


REFERENCIAS:
Morán M., (2004), "fundamentos de termodinámica técnica", segunda edición, España.
http://personales.ya.com/casanchi/fis/ciclo001.pdf
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Carnot
http://recursostic.educacion.es/newton/web/Documentacion_4D/fisica/calor/CicloDeCarnot.htm


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