Figura 1: Una fuente caliente proporciona la energía necesaria para producir trabajo en un proceso termodinámico. El rendimiento de Carnot depende únicamente de la temperatura del foco caliente y del sumidero frío.
La eficiencia de Carnot describe la máxima eficiencia térmica que puede alcanzar un motor térmico según lo permite la Segunda Ley de la Termodinámica. La ley fue derivada por Sadi Carnot en 1824. Carnot reflexionó sobre la idea de la eficiencia máxima en un motor térmico preguntándose si la eficiencia de un motor térmico puede acercarse al 100% o si existe un límite superior que no puede superarse. La respuesta resultó ser que existe un valor máximo, y Carnot desarrolló un motor ideal que teóricamente daría este rendimiento, conocido como el motor de Carnot. El rendimiento máximo, conocido como rendimiento de Carnot , depende únicamente de las temperaturas del foco caliente y del sumidero frío y , como se muestra en la figura 1, y viene dado por la ecuación siguiente
(1)
La Segunda Ley requiere que se produzca calor residual en un proceso termodinámico en el que el trabajo lo realiza una fuente de calor. Tal proceso está dado por la ecuación
(2)
Con una eficiencia térmica de
(3)
Donde:
- es el calor suministrado al sistema desde un combustible
- es el calor cedido por el sistema al sumidero frío conocido como calor residual
- es el trabajo útil alcanzado por el sistema
Por lo tanto, la eficiencia de Carnot da una cantidad máxima alcanzable de trabajo de cualquier motor térmico. De la ecuación 1 se desprende que se puede aumentar o disminuir el rendimiento. Por tanto, lo ideal sería que la temperatura del sumidero frío fuera igual al cero absoluto, pero se sabe que esto es imposible. En realidad, el sumidero frío es el entorno de la Tierra. Esto significa que el sumidero frío está a una temperatura de unos 280-300 Kelvin, y las fuentes calientes proceden de la quema de combustibles que arden a una temperatura de aproximadamente 1100 Kelvin (aunque la investigación siempre trata de elevar esa temperatura). Estas temperaturas dan un valor de eficiencia Carnot de más o menos.
Motor Carnot
Un motor Carnot es un motor idealizado, que utiliza procesos que tienen interacciones mecánicas y térmicas reversibles. Esto significa que el motor puede pasar por sus movimientos y volver a su estado inicial sin un aumento de entropía (sin pérdida de energía). Para que el motor pueda volver a su estado inicial sin aumentar la entropía, el motor debe estar en equilibrio térmico durante todo su ciclo. Las condiciones para que exista dicho motor son:
- Interacciones mecánicas: no se pierde energía en forma de rozamiento, por lo que no hay transferencia de calor durante estos procesos mecánicos (), lo que se conoce como proceso adiabático.
- Interacciones térmicas: la transferencia de calor es infinitamente lenta (lo que se conoce como cuasiestática). Esto significa que la diferencia de temperatura entre el sistema y el calor de entrada/salida es casi la misma, lo que hace que la transferencia de calor se produzca en un tiempo infinito. Estos intercambios deben realizarse manteniendo constante la temperatura interna del sistema, lo que se conoce como proceso isotérmico.
Un motor que sólo posee estas propiedades se conoce como motor de Carnot, que es un «motor perfectamente reversible», y exhibe el máximo rendimiento térmico () y, si funciona como refrigerador, coeficiente de rendimiento (). Aunque un motor de este tipo maximizaría la eficiencia, en términos de eficacia es terriblemente impracticable, ya que sus procesos idealizados requieren mucho tiempo para producir una cantidad significativa de trabajo. Como dice Schroeder, «no se moleste en instalar un motor de Carnot en su coche; aunque aumentaría el kilometraje de la gasolina, le pasarían los peatones».
Para saber más sobre el motor de Carnot, visite la NASA o hiperfísica.
