Motor térmico Carnot

Axial sección transversal del motor de calor de Carnot. En este diagrama, ABCD es un recipiente cilíndrico, cd es un mueble pistón, y A y B son cuerpos constante – temperatura. La nave puede ser colocada en contacto con cualquier cuerpo o eliminada de ambos (como es aquí).

A Motor térmico Carnot es un motor hipotético que opera en el reversible Ciclo de Carnot. El modelo básico para este motor fue desarrollado por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824. El modelo de motor de Carnot fue gráficamente expandido por Benoît Paul Émile Clapeyron en 1834 y matemáticamente elaborados sobre por Rudolf Clausius en 1857 de la cual el concepto de entropía emergido.

Cada sistema termodinámico existe en un determinado estado. A ciclo termodinámico se produce cuando un sistema se toma a través de una serie de diferentes Estados y finalmente volvió a su estado inicial. En el proceso de pasar por este ciclo, el sistema puede realizar trabajos en su entorno, actuando así como un motor térmico.

Un motor térmico actúa mediante la transferencia de energía desde una región cálida a una región fría del espacio y, en el proceso de convertir algo de esa energía a trabajo mecánico. El ciclo también puede invertirse. El sistema puede ser trabajado sobre por una fuerza externa, y en el proceso, puede transferir energía térmica de un sistema de enfriamiento para un calentador, un tal modo actúa como un refrigerador o bomba de calor en lugar de un motor térmico.

Diagrama de Carnot

En el diagrama adyacente, del trabajo de Carnot 1824 Reflexiones en la energía motiva del fuego, Hay "dos cuerpos A y B, mantienen cada uno a una temperatura constante, de A ser mayor que el de B. Estos dos cuerpos a que podemos dar, o de que podemos eliminar el calor sin causar sus temperaturas que varían, ejercen las funciones de dos reservas ilimitadas de calóricos. Nosotros le llamamos el primero el horno y el segundo el refrigerador. " Carnot luego explica cómo podemos obtener fuerza motriz, es decir, "trabajo", realizando una cierta cantidad de calor del cuerpo A al cuerpo B.

Diagrama moderno

Carnot motor diagrama (moderno) - donde una cantidad de calor Q_H flujos de alta temperatura T_H horno a través del fluido del "cuerpo trabajo" (sustancia de trabajo) y el calor restante Q_C fluye en el fregadero frío T_C, obligando a la sustancia de trabajo que hacer trabajo mecánico W en los alrededores, mediante ciclos de contracciones y expansiones.

La imagen anterior muestra el esquema original de pistón y cilindros utilizado por Carnot en discutir sus motores ideales. La figura de la derecha muestra un diagrama de bloques de un motor térmico genéricos, tales como el motor de Carnot. En el diagrama, el "cuerpo trabajo" (sistema), un término introducido por Clausius en 1850, puede ser cualquier cuerpo líquido o vapor a través del cual calor Q puede ser introducido o transmitida para producir trabajo. Carnot había postulado que el fluido corporal podría ser cualquier sustancia capaz de expansión, como el vapor de agua, vapor de alcohol, vapor de mercurio, una permanente gas o aire, etc.. Aunque, en estos primeros años, motores vino en un número de configuraciones, típicamente Q_H fue suministrada por una caldera, en donde se hirvieron agua sobre un horno; Q_C típicamente fue suministrada por un chorro de agua fría que fluye en forma de un condensador situado en una parte separada del motor. El trabajo de salida W Este es el movimiento del pistón se utiliza para convertir un brazo de manivela, que entonces fue utilizado normalmente para girar la polea de una modo elevar agua de inundó las minas de sal. Carnot definió el trabajo como "peso levantado por una altura".

El motor de Carnot

Artículo principal: Ciclo de Carnot

El Ciclo de Carnot al actuar como un motor térmico consiste en los siguientes pasos:

1. Reversible Isotermo expansión del gas a la temperatura "caliente", T_H (adición de calor isoterma o absorción). Durante esta etapa (1 a 2 en la figura 1, A B en la figura 2) el gas está permitido ampliar y funciona en el entorno. La temperatura del gas no cambia durante el proceso, y así la expansión es isotérmica. La expansión del gas es propulsada por la absorción de energía térmica Q₁ y de la entropía $\Delta S=Q_1/T_H$ desde el embalse de alta temperatura.
2. Isentrópico (reversible adiabático) extensión del gas (salida de trabajo isentrópico). Para este paso (2 a 3 en la figura 1, B y C en la figura 2) el pistón y cilindro se asumen para ser aislado térmicamente, por lo tanto no ganar ni perder calor. El gas continúa expandiéndose, trabajando en los alrededores y perdiendo una cantidad equivalente de energía interna. La expansión de gas provoca que se enfríe a la temperatura "en frío", T_C. La entropía permanece inalterada.
3. Compresión isotérmica reversible del gas a la temperatura "en frío", T_C. (rechazo de calor isoterma) (3 a 4 en la figura 1, C y D en la figura 2) Ahora los alrededores funcionan sobre el gas, lo que provoca una cantidad de energía térmica Q₂ y de la entropía $\Delta S=Q_2/T_C$ flujo del gas al embalse de baja temperatura. (Esta es la misma cantidad de entropía absorbida en el paso 1).
4. Compresión isentropic del gas (trabajo isentrópico de entrada). (4 a 1 en la figura 1, D a la A en la figura 2) Una vez más el pistón y el cilindro se asumen para ser aislado térmicamente. Durante este paso, los alrededores funcionan sobre el gas, aumentar su energía interna y comprimirlo, causando la temperatura a la altura T_H. La entropía permanece inalterada. En este punto el gas está en el mismo estado que al comienzo del paso 1.

Teorema de Carnot

Artículo principal: Teorema de Carnot (termodinámica)

motores muy ideales (izquierdos) comparados con el Carnot ciclo (derecha). La entropía de un material real cambia con la temperatura. Este cambio es indicado por la curva en un Diagrama T-S. De esta cifra, la curva indica un equilibrio líquido-vapor ( Ver Ciclo de Rankine). Sistemas irreversibles y las pérdidas de calor (por ejemplo, debido a la fricción) evitar el ideal que lleva a cabo en cada paso.

Teorema de Carnot es una declaración formal de este hecho: Ninguna operación entre dos reservorios de calor del motor puede ser más eficiente que un motor de Carnot operando entre las mismas reservas.

Esta máxima eficiencia $\eta$ se define como:

$\eta=\frac{W}{Q_H}=1-\frac{T_C}{T_H} \quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad(1)$

donde

$W$ es el trabajo realizado por el sistema (energía sale del sistema como trabajo),

$Q_H$ se pone el calor en el sistema (energía térmica entrando en el sistema),

$T_C$ es el temperatura absoluta del embalse del frío, y

$T_H$ es el temperatura absoluta del depósito caliente.

Un corolario al teorema de Carnot establece que: Todos los motores reversibles operando entre los mismos depósitos de calor son igualmente eficientes.

En otras palabras, se logra una eficiencia máxima si y sólo si ningún nuevo entropía se crea en el ciclo. Otra manera, desde entropía es un función del estado, el dumping requiere de calor en el ambiente para deshacerse del exceso de entropía conduce a una reducción en la eficiencia. Así que la ecuación (1) da la eficacia de cualquier reversible motor térmico.

El coeficiente de rendimiento (COP) del motor térmico es el recíproco de su eficacia.

Eficiencia de máquinas y motores térmicos real

Carnot se dio cuenta de que en realidad no es posible construir un termodinámicamente reversible motor, máquinas y motores térmicos tan reales son menos eficientes que el indicado en la ecuación (1). Sin embargo, la ecuación (1) es extremadamente útil para determinar la eficiencia máxima que jamás podría esperarse para un determinado conjunto de depósitos termales.

Aunque Ciclo de Carnot es una idealización, la expresión de la eficacia de Carnot sigue siendo útil. Considerar la media temperaturas,

$\langle T_H \rangle = \frac{1}{\Delta S} \int_{Q_{in}} TdS$

$\langle T_C \rangle = \frac{1}{\Delta S} \int_{Q_{out}} TdS$

en el cual el calor es de entrada y salida, respectivamente. Reemplazar T_H y T_C en la ecuación (1) por <T_H> y <T_C> respectivamente.

Para el ciclo de Carnot, u otros equivalentes, <T_H> es la temperatura más alta disponible y <T_C> la más baja. Para otros menos eficientes ciclos, <T_H> serán inferiores T_H, y <T_C> será más alto que T_C. Esto puede ayudar a ilustrar, por ejemplo, por qué un recalentador o un regenerador puede mejorar la eficiencia térmica del vapor centrales — y por qué la eficiencia de las centrales de ciclo combinado (que incorporan turbinas de gas que operan a temperaturas incluso superiores) supera al de las plantas de vapor convencional.

Según el teorema del segundo, "la eficiencia del motor de Carnot es independiente de la naturaleza de la sustancia de trabajo".

Véase también

• Reflexiones en la energía motiva del fuego
• Motor térmico

Referencias

• Carnot, Sadi (1824). Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les máquinas propres à développer cette puissance (en francés). París: Bachelier. (Primera edición 1824) y ()Reedición de 1878)
• Carnot, Sadi; Thurston, Robert Henry (editor y traductor) (1890). Reflexiones en la energía motiva del calor y en máquinas equipadas para desarrollar ese poder. Nueva York: J. Wiley & Sons. (texto completo de la disfunción eréctil 1897.) (Versión html archivados)

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