¿Qué es el ciclo de Carnot?
Ciclo de Carnot (Ciclo de Carnot)
El gas ideal se expande isotérmicamente desde el estado 1 (P1, V1, T1) al estado 2 (P2, V2, T2), y luego desde el estado 2 Expansión adiabática al estado 3 (P3, V3, T3), luego compresión isotérmica del estado 3 al estado 4 (P4, V4, T4) y finalmente compresión adiabática del estado 4 de regreso al estado 1. Este ciclo que consta de dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos se denomina ciclo de Carnot. El ciclo de Carnot se puede imaginar como un proceso cuasiestático entre el trabajo y dos fuentes de calor de temperatura constante. La temperatura de la fuente de calor de alta temperatura es T1 y la temperatura de la fuente de calor de baja temperatura es T2. Este concepto fue propuesto por N.L.S Carnot en 1824 cuando realizaba una investigación teórica sobre la máxima eficiencia posible de las máquinas térmicas. Carnot supone que el material de trabajo solo intercambia calor con dos fuentes de calor de temperatura constante y que no hay pérdidas como disipación de calor, fugas de aire y fricción. Para que el proceso sea cuasiestático, la absorción de calor del material de trabajo de la fuente de calor de alta temperatura debe ser un proceso de expansión isotérmica sin diferencia de temperatura. De manera similar, la liberación de calor a la fuente de calor de baja temperatura debe ser. un proceso de compresión isotérmica. Debido a la limitación de intercambiar calor únicamente con dos fuentes de calor, solo puede ser un proceso adiabático después de abandonar la fuente de calor. La máquina térmica que realiza el ciclo de Carnot se llama máquina térmica de Carnot.
A través de los teoremas termodinámicos relevantes, podemos concluir que la eficiencia del ciclo de Carnot ηc = 1-T2/T1. Se puede observar que la eficiencia del ciclo de Carnot solo está relacionada con las temperaturas termodinámicas de. las dos fuentes de calor Si la temperatura T1 de la fuente de calor de alta temperatura es mayor y la temperatura T2 de la fuente de calor de baja temperatura es menor, la eficiencia del ciclo de Carnot es mayor. Debido a que es imposible obtener una fuente de calor de alta temperatura de T1→∞ o una fuente de calor de baja temperatura de T2=0K (-273°C), la eficiencia del ciclo de Carnot debe ser menor que 1.
Se puede demostrar que la eficiencia del ciclo de Carnot con cualquier sustancia de trabajo es la misma; también se puede demostrar que la eficiencia de todos los ciclos reales es menor que la eficiencia del ciclo de Carnot bajo la misma; Es decir, si después de determinar las temperaturas de la fuente de calor de alta temperatura y la fuente de calor de baja temperatura, la eficiencia del ciclo de Carnot es el límite de eficiencia más alto de todos los motores térmicos que funcionan entre ellas. Por lo tanto, para mejorar la eficiencia del motor térmico, se deben hacer esfuerzos para aumentar la temperatura de la fuente de calor de alta temperatura y reducir la temperatura de la fuente de calor de baja temperatura. La fuente de calor de baja temperatura suele ser el entorno circundante. Bajar la temperatura del ambiente es difícil y costoso, y no es una opción. Se basa en este principio que las centrales térmicas modernas intentan aumentar la temperatura del vapor de agua y utilizan vapor sobrecalentado para impulsar turbinas de vapor.
El teorema de Carnot aclara las limitaciones de la eficiencia del motor térmico y señala la dirección para mejorar la eficiencia del motor térmico (aumentar T1, reducir T2, reducir la disipación de calor, las fugas de aire, la fricción y otras pérdidas irreversibles, para hacer el ciclo lo más cercano posible al ciclo de Carnot). Conviértase en la base teórica para la investigación de motores térmicos. Limitaciones a la eficiencia de los motores térmicos. El estudio de la irreversibilidad de los procesos termodinámicos reales y las conexiones entre ellos condujo al establecimiento de la segunda ley de la termodinámica. La escala de temperatura termodinámica absoluta establecida sobre la base del teorema de Carnot no tiene nada que ver con las sustancias termométricas ni con las propiedades de medición de la temperatura, por lo que la medición de la temperatura se basa en una base objetiva. Además, aplicando el ciclo de Carnot y el teorema de Carnot, también se puede estudiar la relación entre la tensión superficial, la presión y temperatura del vapor saturado y la fuerza electromotriz de las baterías reversibles. También hay que destacar que la investigación teórica abstracta y universal de Carnot, que deja de lado dispositivos específicos y sustancias de trabajo específicas, se ha extendido a lo largo de todo el estudio de la termodinámica.