Hasta 1824 se creía que las máquinas térmicas construidas podían sufrir un funcionamiento perfecto, es decir, se pensó que podrían alcanzar el 100% de rendimiento, o algo parecido valor. En otras palabras, los científicos de la época creían que podían hacer uso de toda la energía térmica. suministrada a estas máquinas, es decir, creían que podían transformar toda esa energía en trabaja.
El ingeniero Sadi Carnot fue el encargado, en ese momento, de realizar demostraciones en las que era imposible obtener el 100% de rendimiento. Sadi propuso que una máquina térmica teórica ideal funcionaría a través de un ciclo particular, ahora llamado Ciclo de Carnot.
En su demostración, Carnot conceptualizó dos postulados, que fueron propuestos incluso antes de que se enunciara la primera ley de la termodinámica. Vea lo que enuncian los postulados de Carnot:
1er Postulado de Carnot
- Ninguna máquina que opere entre dos temperaturas fijas puede rendir más que la máquina ideal de Carnot que opera entre esas mismas temperaturas.
2do Postulado de Carnot
- Al operar entre dos temperaturas, la máquina ideal de Carnot tiene la misma eficiencia, sea cual sea el fluido operativo, y es completamente reversible, sin aportar energía.
Según los postulados enunciados por Carnot, podemos ver la garantía de que la eficiencia de un motor térmico es función de las temperaturas de las fuentes de calor y frío. Sin embargo, al fijar las temperaturas de estas fuentes, la máquina teórica de Carnot es la que logra tener la mayor eficiencia.
El ciclo de Carnot es un ciclo idealizado, reversible, en el que el fluido operativo es un gas perfecto, que corresponde a dos transformaciones. isotermas es dos adiabático, intercalados. Los procesos descritos por el gas en este ciclo son:
1.°) expansión isotérmica DA, durante el cual el gas está en contacto con el sistema de temperatura constante TA (fuente caliente), recibiendo de él una cantidad de calor QA.
2.°) expansión adiabática AB, durante el cual no hay intercambio de calor con el medio ambiente. El sistema realiza el trabajo con una disminución de la energía interna y, por tanto, de la temperatura.
3.°) Contracción isotérmica BC, durante el cual el gas está en contacto con el sistema de temperatura constante TB (fuente fría), dándole una cantidad de calor QB.
4.°) contracción adiabática CD, durante el cual el gas no intercambia calor con el medio ambiente. El sistema recibe trabajo, que sirve para incrementar su energía interna y por tanto su temperatura.
En el ciclo de Carnot, el calor intercambiado (QLA y QB) y temperaturas termodinámicas (TLA y TB) de las fuentes de calor y frío son proporcionales, siendo la relación:
Sustituyendo la ecuación de eficiencia de una máquina térmica, obtenemos, para la máquina de Carnot:
Considerando la temperatura de la fuente fría (TB) igual a cero kelvin (cero absoluto), tenemos η = 1 o η = 100%. Sin embargo, este hecho contradice la segunda ley de la termodinámica, que garantiza que una renta de 100%, lo que nos lleva a concluir que ningún sistema físico puede tener una temperatura igual a cero absoluto.
Por Domitiano Marques
Licenciada en Física
Fuente: Escuela Brasil - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquinas-carnot.htm