El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal que consta de cuatro procesos reversibles: dos isotérmicos y dos adiabáticos. El objetivo del ciclo de Carnot es convertir el calor absorbido de una fuente a alta temperatura en trabajo útil y rechazar el calor residual a una fuente a baja temperatura. El ciclo de Carnot tiene la mayor eficiencia posible de un motor térmico, que depende solo de las temperaturas de las fuentes de calor. El ciclo de Carnot se representa en un diagrama P-V (presión-volumen) como se muestra a continuación:

1. Ciclo de
Carnot
Presentacion

2. Ciclo de
Carnot
Las máquinas térmicas son dispositivos
cíclicos, por lo que el fluido de trabajo de esta
regresa a su estado inicial al término de cada
ciclo. Durante una parte de este ciclo el fluido
efectúa trabajo y durante la otra parte se
efectúa trabajo sobre el fluido. La diferencia
entre estos dos trabajos se conoce como
trabajo neto entregado por la máquina
térmica. La eficiencia de un ciclo de una
máquina térmica depende en gran medida de
cómo se ejecutan los procesos individuales
que integran el ciclo.

3. Proceso
reversible
Antes de continuar debemos definir un
concepto fundamental de la
termodinámica: La reversibilidad. Un
proceso reversible es aquel que puede
invertirse sin dejar ninguna huella en los
alrededores. Tanto el sistema como los
alrededores regresan a sus estados
iniciales al final del proceso inverso.

4. Ciclo de
carnot
Es probable que el ciclo reversible más
conocido sea el ciclo de Carnot, el cual se
compone de cuatro procesos reversibles
—dos isotérmicos y dos adiabáticos— y se
ejecutan en una máquina térmica teórica
llamada máquina térmica de Carnot.
Consideramos un sistema cerrado
compuesto por un gas contenido en un
dispositivo de cilindro-émbolo adiabático

5. Expansión
isotérmica
reversible
TH = constante. En un inicio (estado 1) la
temperatura del gas es TH, y la cabeza del cilindro
está en estrecho contacto con una fuente a
temperatura TH. Se permite que el gas se expanda
lentamente y que realice trabajo sobre los
alrededores. Cuando el gas se expande, su
temperatura tiende a disminuir. Pero tan pronto
como la temperatura disminuye en una cantidad
infinitesimal dT, un poco de calor fluye del depósito
al gas, lo cual eleva la temperatura de éste a TH.

6. Expansión
adiabática
reversible:
Proceso 2-3, la temperatura disminuye de TH a TL.
En el estado dos, el depósito que estaba en
contacto con la cabeza del cilindro se quita y se
reemplaza por un aislamiento, de manera que el
sistema se vuelve adiabático. El gas continúa su
expansión lenta y efectúa trabajo sobre los
alrededores hasta que su temperatura desciende
de TH a TL (estado 3).

7. Compresión
isotérmica
reversible:
Proceso 3-4,
TL = constante. En el estado 3 se quita el aislamiento en la cabeza
del cilindro y éste entra en contacto con un sumidero a
temperatura TL. Después el émbolo se empuja hacia dentro
mediante una fuerza externa, y efectúa trabajo sobre el gas. A
medida que se comprime el gas, su temperatura tiende a
aumentar. Pero tan pronto como se incrementa en una cantidad
infinitesimal dT, fluye calor del gas al sumidero, lo cual provoca que
la temperatura del gas disminuya a TL.

8. Compresión
adiabática
reversible:
Proceso 4-1, la temperatura aumenta de TL a
TH. El estado 4 es tal que cuando el depósito
de baja temperatura se quita y se vuelve a
poner el aislamiento sobre la cabeza del
cilindro y el gas se comprime de manera
reversible, éste regresa a su estado inicial
(estado 1). La temperatura aumenta de TL a TH
durante este proceso, el cual completa el ciclo.

9. Diagrama P-v
del ciclo de
Carnot.
El área bajo la curva del proceso representa el
trabajo de la frontera en procesos de
cuasiequilibrio (internamente reversibles). El
área bajo la curva 1 -2-3 es el trabajo efectuado
por el gas durante la parte de expansión del
ciclo, y el área bajo la curva 3-4-1 es el trabajo
realizado sobre el gas durante la parte de
compresión del ciclo. El área encerrada por la
trayectoria del ciclo (área 1-2-3-4-1) es la
diferencia entre estas dos y representa el
trabajo neto efectuado durante el ciclo.

10. El ciclo
de
Carnot
inverso
El ciclo de la máquina térmica de
Carnot descrito es un ciclo totalmente
reversible. Por consiguiente, todos los
procesos que comprende pueden
invertirse, en cuyo caso se convierte
en el ciclo de refrigeración de Carnot.
Esta vez, el ciclo permanece
exactamente igual, excepto en que las
direcciones de cualquier interacción
de calor y de trabajo están invertidas

11. Rendimiento
de procesos
La idea rendimiento se refiere a la proporción
que surge entre los medios empleados para
obtener algo y el resultado que se consigue

12. Rendimiento
máquina de
Carnot.
La eficiencia térmica de cualquier
máquina térmica, reversible o
irreversible, está dada por la ecuación:
En máquinas térmicas reversibles, el
cociente de transferencia de calor en la
relación anterior puede ser sustituido
por el cociente de temperaturas
absolutas de los dos depósitos.

13. RENDIMIENTO
MAQUINA DE CARNOT
Esta relación se le conoce como la eficiencia
de Carnot ya que la máquina térmica de
Carnot es la máquina reversible más
conocida. Ésta es la eficiencia más alta que
puede tener una máquina térmica que
opere entre los dos depósitos de energía
térmica a temperaturas TL y TH. Las
eficiencias térmicas de máquinas térmicas
reales y reversibles que operan entre los
mismos límites de temperatura se
comparan de la siguiente manera: