¿Cómo funciona el Ciclo de Carnot?

Estoy aprendiendo el ciclo de Carnot, que consta de cuatro transformaciones para un fluido.

En las dos primeras transformaciones el volumen del fluido se expande generando trabajo.

Esto sucede en dos pasos:

  1. Primero, nos acercamos a una fuente caliente y el gas se expande y se genera trabajo (bueno, la temperatura aumenta y el fluido quiere expandirse → el trabajo generado proviene 100% del calor consumido, porque la energía interna no cambió durante el proceso isotérmico)
  2. Luego retiramos la fuente de calor y se supone que el gas seguirá expandiéndose ( Pregunta A : No estoy realmente seguro de cómo sigue expandiéndose el gas después de que retiramos la fuente de calor. Si no hay una fuente de calor cerca, parece lógico esperar que la expansión simplemente detenerse. ¿Por qué querría continuar? Expansión significa trabajo realizado. Dado que no hay flujo de calor, el gas estaría perdiendo energía interna. ¿Por qué querría el gas perder energía interna para crear trabajo?).

En las dos segundas transformaciones el volumen del fluido disminuye.

Esto sucede en dos pasos:

  1. Primero, nos acercamos a una fuente fría, por lo que el fluido naturalmente elimina algo de calor hacia la fuente fría y, por lo tanto, disminuye su temperatura y, por lo tanto, disminuye su volumen. (Eso es bastante razonable).
  2. Finalmente, el fluido sigue comprimiéndose, aumentando automáticamente su temperatura y presión, volviendo al estado número 1 ( Pregunta B : ¿Cómo se puede esperar que el fluido siga comprimiéndose automáticamente? Siendo este un proceso adiabático y un aumento de temperatura, esto significa que se debe trabajar). hacerse en el sistema. ¿Quién está haciendo este trabajo?).

1 y 3 se basan en poner una fuente térmica cerca del fluido para que la naturaleza haga lo que hace, según la segunda ley.

Pero 2 y 4 me parecen mágicos, ya que no entiendo lo que sucede detrás de escena.

Hay una pregunta similar pero todavía no lo entiendo. Pensé que era mejor crear una nueva pregunta, en lugar de comentar una anterior. Además, de esta manera puedo exponer mi punto de vista completo sobre el caso.

También me gustaría entender cómo se relaciona esto con la eficiencia del ciclo de Carnot.

Que viene de algo como:

GRAMO mi norte mi r a t mi d W o r k GRAMO i v mi norte mi norte mi r gramo y = H mi a t I norte − H mi a t O tu t H mi a t I norte

Esto es comprensible, pero luego continúa así:

H mi a t I norte − H mi a t O tu t H mi a t I norte = 1 − T C o yo d T h o t

Hay dos confusiones con esto:

Pregunta C.

¿ Cómo es posible mezclar calor y temperatura de una manera tan fácil?

Esto es casi como decir que calor = temperatura.

Además, entendí que el calor nunca es absoluto, sino una variación. Mientras que la temperatura es en realidad una medida absoluta.

Pregunta D.

Si 4 realmente requiere trabajo externo para la compresión, ¿cómo es que este trabajo aplicado no se refleja en la eficiencia? (tal vez lo sea, pero no lo veo)

ACTUALIZAR :

Este video es muy útil: https://youtu.be/d6eJ8mccvu0&t=939

En el paso 2 (adiabático), imagina que tienes un cilindro vertical con un pistón, y un montón de pesas pequeñas están colocadas encima del pistón. A medida que retira gradualmente los pesos del pistón, el gas se expande y el pistón se eleva. Esto da como resultado que se haga trabajo para levantar el resto de los pesos que todavía están en el pistón. El paso 4 es lo opuesto a esto. En ambos casos, se realiza trabajo para elevar los pesos y el gas se expande sin que se agregue calor.
@ChetMiller Gracias, pero, "En ambos casos, se trabaja para levantar los pesos" --> ¿Quién o qué está haciendo ese trabajo? Entonces, el ciclo es solo la idea, pero alguien debe encontrar la manera de hacer ese trabajo. ¿Cómo entonces, se aplica ese trabajo al sistema considerado en la eficiencia? Solo veo el trabajo en red, pero no el trabajo aplicado. Y... Creo que está bien pensar que será más o menos trabajo dependiendo de cómo crees la máquina real. Esto es considerar un proceso ideal, pero aun así, no es decir de dónde viene ese trabajo. El "A medida que quitas poco a poco los pesos del pistón". ¿Quién está haciendo esto?
Ups. Me equivoqué. En el paso 4, agregar los pesos funciona en el gas, ya que el pistón baja. Además, comprenda que el trabajo realizado por el gas en el paso 2 coincide exactamente con el trabajo realizado sobre el gas en el paso 4. Por lo tanto, no se realiza ningún trabajo neto en los pasos 2 y 4.
@ChetMiller No puedo ver que el trabajo que se realiza sea el mismo ya que tomamos la misma cantidad de cosas del estado 2 al 3 y luego del 4 al 1. Todos ellos tienen diferente energía interna, así que... ¿cómo pueden ser los ¿mismo? Además, no entiendo por qué en el paso 2 el fluido querría expandirse. Si no hay transferencia de calor, ¿por qué se expandiría el gas? Espero que se quede ahí. ¿Qué hace que se expanda?
Quitar el peso del pistón reduce la presión aplicada desde el exterior y hace que se expanda. El trabajo de la red se realiza en los pasos 1 y 3. En realidad, solo vea la respuesta de @Bob D.

Respuestas (1)

La representación típica del Ciclo de Carnot es con el uso de un cilindro cerrado que contiene un gas ideal equipado con un pistón con un eje que se extiende fuera del cilindro para interactuar con el entorno. A continuación me referiré al fluido como un gas ideal.

Primero, nos acercamos a una fuente caliente (bueno, la temperatura aumenta y el fluido quiere expandirse)

El primer proceso es la expansión isotérmica reversible (temperatura constante). La temperatura no aumenta. Para un gas ideal, eso significa que el producto de la presión y el volumen es constante. A medida que el volumen se expande, la presión que resiste la expansión del entorno debe disminuir proporcionalmente. El trabajo realizado en la expansión es exactamente igual al calor agregado y el cambio en la energía interna es cero. Por la primera ley Δ tu = q − W . Desde Δ tu = 0 , tenemos q = W y q = T H O T Δ S dónde Δ S es el cambio de entropía.

Luego retiramos la fuente de calor (Pregunta A: no estoy seguro de cómo se sigue expandiendo el fluido después de que retiramos la fuente de calor. Si no hay una fuente de calor cerca, parece lógico esperar que la expansión simplemente se detenga).

El segundo proceso es un proceso adiabático reversible (sin transferencia de calor). La respuesta a la pregunta A es que el gas continúa expandiéndose porque la presión externa se reduce gradualmente de manera intencional para permitir que continúe la expansión. Desde q = 0 el trabajo realizado en la expansión es a expensas de la energía interna, Δ tu = − W . Tenga en cuenta que W se considera positivo cuando el gas realiza trabajo sobre el entorno (se expande).

Primero, nos acercamos a una fuente fría, por lo que el fluido naturalmente elimina algo de calor hacia la fuente fría y, por lo tanto, disminuye su temperatura y, por lo tanto, disminuye su volumen.

El tercer proceso es una compresión isotérmica reversible (temperatura constante). Este es el mismo que el primer proceso a la inversa. En este caso, el entorno realiza un trabajo sobre el gas igual a la transferencia de calor del gas al entorno.

Finalmente, el fluido sigue comprimiéndose, aumentando automáticamente su temperatura y presión, volviendo al estado número 1 (Pregunta B: ¿Cómo se puede esperar que el fluido siga comprimiéndose automáticamente?).

El cuarto y último proceso es una compresión adiabática reversible. Es lo mismo que el segundo proceso solo que a la inversa, de modo que el entorno realiza trabajo sobre el gas en lugar de que el gas realice trabajo sobre los alrededores. La respuesta a la pregunta B es que el gas no se comprime "automáticamente". Un agente externo en el entorno ejerce una presión ligeramente superior a la presión del gas para comprimir el gas.

Pero 2 y 4 me parecen mágicos, ya que no entiendo lo que sucede detrás de escena.

Piense en el ciclo realizado por un pistón y un cilindro con el eje del pistón conectado a algo fuera del cilindro. Básicamente, lo que sucede detrás de escena, que está fuera del cilindro, es un agente externo (el entorno) que ejerce una presión sobre el gas ligeramente mayor que la presión del gas para comprimir el gas (proceso 4) o ejerce una presión ligeramente menor que la presión del gas que le permite expandirse (proceso 2). Es importante señalar que el trabajo positivo realizado por el gas en el proceso 2 es exactamente igual al trabajo negativo realizado por el gas en el proceso 4, por lo que el trabajo neto realizado por los dos procesos es cero.

Para los procesos 1 y 3 la presión ejercida por el agente externo también acomoda la expansión o compresión del gas. Pero en estos casos lo hace de tal forma que la temperatura del gas permanece constante.

pregunta c

¿Cómo es posible mezclar calor y temperatura de una manera tan fácil?

Esto es casi como decir que calor = temperatura.

Al equiparar la eficiencia de la izquierda con la relación de temperaturas de la derecha, está omitiendo lo importante entre los pasos.

El trabajo neto generado es

W norte mi t = q I norte − q O tu T

Esto iguala los términos de energía. Entonces para los dos procesos isotérmicos, donde Δ S es el cambio de entropía, tenemos lo siguiente:

q I norte = T H O T Δ S

q O tu T = T C O L D Δ S

La eficiencia está dada por

ϒ = q I norte − q O tu T q I norte

Sustituyendo tenemos

ϒ = T H O T Δ S − T C O L D Δ S T H O T Δ S

Lo que simplifica a

ϒ = 1 − T C O L D T H O T

Pregunta D.

Si 4 realmente requiere trabajo externo para la compresión, ¿cómo es que este trabajo aplicado no se refleja en la eficiencia? (tal vez lo sea, pero no lo veo)

Como se indicó anteriormente, el trabajo de compresión adiabático realizado sobre el gas en el proceso 4 es exactamente igual al trabajo de expansión adiabático realizado por el gas en el proceso 2. Eso significa que se cancelan y no forman parte del cálculo de eficiencia.

Espero que esto ayude.

Bob D. Esto es simplemente perfecto. Realmente aprecio el hecho de que un extraño enseñe más claro que los profesores pagados en las universidades. Claro que esto ayuda, no solo a mí, sino también a otros futuros lectores. Gracias. He estado pensando en "el trabajo positivo realizado por el gas en el proceso 2 es exactamente igual al trabajo negativo realizado por el gas en el proceso 4", pero no entiendo por qué esto es cierto. Estamos trabajando con los mismos cambios de temperatura en ambos procesos, pero el volumen y la presión involucrados son diferentes. Siendo trabajo el pdv total cambia, ¿cómo puedo ver claramente que ambas cantidades son iguales?
@AlvaroFranz Me alegro de que haya sido útil. Con respecto a 2 y 4, tiene razón, estamos tratando con los mismos cambios de temperatura. Pero para un gas ideal, el cambio en la energía interna depende SÓLO del cambio de temperatura y está dado por, para cualquier proceso, Δ tu = C v Δ T . Dado que para el proceso adiabático Δ tu = − W eso significa la magnitud de W será el mismo para ambos procesos, pero el signo será diferente y por lo tanto los dos trabajos se cancelan. Espero que esto te aclare.
Esto está más que claro. Genio.
Bob, lo siento, volví a despertar esta cosa. Pero sólo una consideración más. Para el proceso dos, dice ... "porque la presión externa se reduce gradualmente intencionalmente", pero luego considere eso como trabajo realizado por el sistema. Si alguien/algo reduce la presión intencionalmente, ese alguien/algo habrá trabajado para la expansión, tal vez tirando desde afuera para que el gas tenga más espacio dentro de su contenedor de trabajo. Lo que quiero decir es que no es el gas mismo el que se expande espontáneamente. Algo externo lo está ayudando a tener más espacio al liberar ese espacio al "tirar" de la cosa para hacer espacio.
@AlvaroFranz No hay problema. Por un lado, para que la expansión isotérmica se lleve a cabo de forma reversible, tiene que realizarse de forma extremadamente lenta (casi estática). Si no hubiera resistencia externa a la expansión, ocurriría expandirse rápidamente. Una expansión rápida provoca irreversibilidad (generación de entropía) y una reducción de la eficiencia. Al mantener la presión externa ligeramente por debajo de la presión del gas, se expande lentamente y aún se realiza trabajo. La desventaja del ciclo reversible es que el trabajo se realiza muy lentamente (muy poca potencia), aunque es el más eficiente.
Entiendo que Carnot lo diseñó para que se hiciera cuasi-estáticamente, siendo la versión ideal suprema sin pérdida de eficiencia. Pero todavía no puedo ver quién o qué está haciendo estas bajadas de presión infinitesimales, o mejor dicho, no puedo ver que el gas será el responsable de ese trabajo. En cambio, veo que las compresiones infinitesimales de 4 a 1 son de hecho un trabajo externo. Tal vez, como todo es solo una idea, estamos suponiendo que el gas tendrá micro expansiones solo porque no tiene un cambio aparente y solo porque nadie se opone a eso. Pero... ¿por qué sucedería eso?
@AlvaroFranz Primero, debe comprender que nadie usa un motor térmico con un ciclo de Carnot. Alguien dijo una vez que si pusiera un motor Carnot en su automóvil, obtendría un rendimiento de gasolina fantástico, pero los peatones lo pasarían de largo. Es una idealización para mostrar cuál podría ser la máxima eficiencia posible de una máquina térmica. Dicho esto, puedes imaginarte qué es el agente externo. Chester Miller le dio un ejemplo con pesos diminutos (p. ej., granos de arena) colocados encima de un pistón sin peso.
Cuando quita los pesos uno a la vez, el gas se expande un poco elevando un poco los pesos restantes. Dado que los pesos restantes se elevan, el gas realiza un pequeño trabajo que aumenta la energía potencial de los pesos restantes. Cuando agrega pesas una a la vez, el gas se comprime un poco, bajando las pesas restantes y comprimiendo el gas. Los pesos restantes realizan un pequeño trabajo sobre el gas igual a la caída de energía potencial de los pesos restantes.
Nada de esto pretende representar algo práctico. Como decía el ciclo es una idealización que te da lo máximo posible para una máquina térmica. Una especie de punto de referencia para comparar ciclos prácticos. Espero que esto ayude.
Se debe evitar saber "gracias". Debo decirlo. Muchas gracias. ¡Que tengas un buen día, todos los días restantes!
@AlvaroFranz Tú también.
@Nico Brenner Aprobé su edición, pero ciertamente no tenía la intención de "menospreciar" el OP. Puede ver en los comentarios del OP que no se tomó de esa manera.
Para su información, no creo que sea "menospreciar" señalar que están malinterpretando el ciclo. Pienso: "Tienes dificultades porque parece que no entiendes los procesos del ciclo de Carnot". sería mucho más útil que eliminar esa línea por completo (estaba rechazando la edición pero la aprobaron mientras tenía la revisión abierta).
@JMac Gracias y estoy de acuerdo contigo. Simplemente no quería hacer un gran problema al respecto. Saludos,
Gracias BobD y @JMac por su revisión rápida y efectiva de la edición. Desafortunadamente, el texto escrito está sujeto a interpretaciones muy diversas. Desde mi perspectiva como lector, la primera oración se leyó mal y parecía que la respuesta realmente no la necesitaba. Ahora entiendo que la intención que interpreté no estaba allí en primer lugar.
@NicoBrenner No hay problema. Ningún daño hecho.
Más allá del hecho de que estas "pequeñas" consideraciones no son relevantes, hacen de este lugar de intercambio de conocimientos el lugar de intercambio de conocimientos más asombroso que conozco. Qué tal este modelo extrapolado a la política, donde todos participan pacíficamente... ¡salud!
¿Cómo funciona el Ciclo de Carnot?
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