El ciclo de Carnot: máxima eficiencia posible del motor
1 · Predecir
Un motor de Carnot transporta gas a través de patas 4 (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
- 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.
- Habilite la lectura del trabajo por pierna.
- Para cada tramo del ciclo (1 a 4), lea el volumen objetivo de la pierna y el trabajo realizado por el gas durante esa pierna.
3 · Recopilar Datos
| número de pierna | Volumen objetivo de la pierna V (L) | Trabajo realizado por gas en esta pierna. (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Dibuje el diagrama P-V para todos los tramos 4 , marcando si cada tramo es isotérmico o adiabático y si el gas realiza un trabajo positivo o negativo.
4 · Analizar
- Sume los valores de trabajo de sus 4 legs. 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.
- Dos piernas 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 sin hacer nada.
5 · Ampliar
- 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.
- 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
Eficiencia de Carnot
La máxima eficiencia posible de cualquier motor térmico que funcione entre un depósito caliente Th y un depósito frío Tc depende únicamente de su relación de temperaturas: η_c = 1 − Tc/Th.