El ciclo de Carnot: máxima eficiencia posible del motor

1 · Predecir

Un motor de Carnot lleva un gas a través de 4 tramos (expansión isotérmica, expansión adiabática, compresión isotérmica, compresión adiabática) hasta su estado inicial. ¿Cambia la energía interna del gas durante un ciclo completo?

• La energía interna aumenta a lo largo del ciclo, ya que el gas realiza un trabajo neto positivo.
• La energía interna vuelve a su valor inicial: cambio neto cero en un ciclo cerrado.
• La energía interna disminuye a lo largo del ciclo.

2 · Configurar

1. Abra el preajuste del ciclo de Carnot y presione Restablecer. 1 mol de argón (f = 3) recorre un ciclo entre un depósito caliente de 600 K y un depósito frío de 300 K.
2. Habilite la lectura del trabajo por tramo.
3. Para cada tramo del ciclo (1 a 4), lea el volumen objetivo del tramo y el trabajo realizado por el gas durante ese tramo.

3 · Recopilar datos

Dibuje el diagrama P-V para los 4 tramos, marcando si cada tramo es isotérmico o adiabático y si el gas realiza un trabajo positivo o negativo.

4 · Analizar

1. Sume los valores de trabajo de sus 4 tramos. Compare el total con nR(Th − Tc)·ln(2) (aproximadamente, para las relaciones de volumen de este ciclo) y compare la eficiencia del ciclo η = W_net/Qin con el valor de Carnot η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
2. Dos tramos tienen trabajo positivo (expansión) y dos tienen trabajo negativo (compresión). Explique por qué el trabajo *neto* durante el ciclo completo sigue siendo positivo, lo que lo convierte en una máquina térmica en lugar de un ciclo que no hace nada.

5 · Ampliar

1. Ningún motor real que funcione entre las mismas dos temperaturas de depósito puede superar la eficiencia de Carnot. Explique, utilizando η_c = 1 − Tc/Th, por qué un motor podría alcanzar un 100% de eficiencia solo si Tc = 0 K, físicamente inalcanzable.
2. El ciclo de Carnot se construye íntegramente a partir de pasos reversibles (isotérmico y adiabático, ambos idealizados como infinitamente lentos). Explique por qué un motor real, que inevitablemente tiene fricción y transferencia de calor a velocidad finita, nunca puede alcanzar esta eficiencia ideal.

La física detrás de este experimento

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