SERWAY - JEWETT

Sección 22.4 La máquina de Carnot 619
Q = 0
Q h
Ciclo
A S B
Expansión
isotérmica
Depósito de energía a T h
D S A
Compresión
adiabática
a)
B S C
Expansión
adiabática
Q = 0
Figura 22.9 El ciclo de Carnot.
a) En el proceso A B, el gas
se expande isotérmicamente
mientras está en contacto con
un depósito a T h . b) En el
proceso B C, el gas se expande
adiabáticamente (Q 0).
c) En el proceso C D, el gas
se comprime isotérmicamente
mientras está en contacto con
un depósito a T c T h . d) En
el proceso D A, el gas se
comprime adiabáticamente. Las
flechas sobre el pistón indican
la dirección de su movimiento
durante cada proceso.
d)
b)
C S D
Compresión
isotérmica
Q c
Para describir el ciclo de Carnot que tiene lugar entre las temperaturas T c y T h , suponga
que la sustancia de trabajo es un gas ideal contenido en un cilindro adaptado con un
pistón móvil en un extremo. Las paredes del cilindro y el pistón son térmicamente no
conductoras. En la figura 22.9 se muestran cuatro etapas del ciclo de Carnot, y el diagrama
PV para el ciclo se muestra en la figura 22.10. El ciclo de Carnot consiste de dos procesos
adiabáticos y dos procesos isotérmicos, todos reversibles:
1. El proceso A B (figura 22.9a) es una expansión isotérmica a temperatura T h . El gas
se coloca en contacto térmico con un depósito de energía a temperatura T h . Durante
la expansión, el gas absorbe energía Q h del depósito a través de la base del cilindro
y realiza trabajo W AB para elevar el pistón.
2. En el proceso B C (figura 22.9b), la base del cilindro se sustituye por una pared
térmicamente no conductora y el gas se expande adiabáticamente; esto es, no entra
ni sale energía del sistema por calor. Durante la expansión, la temperatura del gas
disminuye de T h a T c y el gas realiza trabajo W BC para elevar el pistón.
3. En el proceso C D (figura 22.9c), el gas se coloca en contacto térmico con un
depósito de energía a temperatura T c y se comprime isotérmicamente a temperatura
T c . Durante este tiempo, el gas expulsa energía Q c al depósito y el trabajo que el
pistón realiza sobre el gas es W CD .
4. En el proceso final D A (figura 22.9d), la base del cilindro se sustituye por una
pared no conductora y el gas se comprime adiabáticamente. La temperatura del gas
aumenta a T h y el trabajo que el pistón realiza sobre el gas es W DA .
La eficiencia térmica de la máquina está dada por la ecuación 22.2:
e
W máq
0Q h 0
Depósito de energía a T c
c)
0Q h 0 0Q c 0
0Q h 0
1
0Q c 0
0Q h 0
PREVENCIÓN DE RIESGOS
OCULTOS 22.3
No compre una máquina de Carnot
La máquina de Carnot es una
idealización; no espere que
se desarrolle una máquina de
Carnot para uso comercial. La
máquina de Carnot se explora
sólo para consideraciones
teóricas.
P
A
Q h
B
W máq
T h
C
T c
V
Figura 22.10 Diagrama PV para
el ciclo de Carnot. El trabajo
neto realizado W máq es igual a la
energía neta transferida en la
máquina de Carnot en un ciclo,
Q h Q c . Como con cualquier
ciclo, el trabajo consumido
durante el ciclo es el área
encerrada por la trayectoria en el
diagrama PV. Note que E int 0
para el ciclo.
D
Q c