EL CICLO DE CARNOT

Sadi Carnot fue el hombre clave para la fundación de una apasionante rama de la Física: la Termodinámica. No fue excesivamente famoso o reconocido en vida, que terminó lamentablemente de forma abrupta a la temprana edad de 36 años por una escarlatina.

En los albores de la Revolución Industrial este joven ingeniero francés quiso poner a la Francia post Revolución Francesa a la última tecnología en cuanto a lo que a máquinas de vapor se refiere. Y en su empeño acabó ideando el proceso que acabaría demostrando garantizaba de forma teórica tener el máximo rendimiento posible para una máquina de vapor.

Carnot cogió como puntos de partida la bomba de agua elaborada más de un siglo atrás por Savary y la rueda hidráulica con la que estableció una brillante analogía que asumía que el calor se propagaba desde un foco a temperatura superior a otro a temperatura inferior debido a la existencia de un fluído al que se le denominaba calórico de forma equivalente a cómo fluye el agua de un río corriente abajo.

Lo primero que se planteó Carnot es que ninguna máquina ni conjunto de máquinas puede tener el efecto de hacer pasar el calor de una temperatura baja a otra más alta. (hoy: 2º principio de la Termodinámica) de igual manera que no podemos conseguir elevar agua con una rueda hidráulica.

Pero pensó que si acoplaba dos ruedas hidráulicas que giraran en sentidos inversos idealmente podría conseguir que una de ellas elevara agua aunque nunca a una altura superior de la altura de la que procede al agua que alimenta a la otra. De igual manera, acoplando debidamente dos máquinas térmicas pensó que podría conseguir el efecto equivalente. Esta búsqueda de una máquina reversible que tanto podía calentar como enfriar como realizar trabajo creó la idea subyacente al funcionamiento de un frigorífico.

La idea básica de la máquina de vapor más simplificada posible era un sistema al que entraba una cierta cantidad de energía calórica y salía menos dando lugar a una creación neta de trabajo.

A esa idea James Watt le añadió un recipiente externo para enfriar el gas consiguendo una máquina de vapor más eficiente.

Pero lo que Carnot encontró fue nada más ni nada menos que el ciclo perfecto que garantiza que ese proceso tenga el máximo rendimiento posible.  A ese ciclo se le conoce hoy en día como el ciclo de Carnot y consta de cuatro fases:

1. Expansión isotérmica (temperatura constante) del cilindro que encierra al vapor.
2. Expansión adiabática (sin pérdidas por calor) del cilindro al que se le retira el foco de calor que mantenía T constante alta.
3. Compresión isotérmica por aplicación de un foco frío al cilindro que lo mantiene a T constante.
4. Compresión adiabática del cilindro al que se le retira el foco de frío que mantenía T constante baja.

 

Generaciones posteriores descubrirían que el máximo rendimiento de una máquina viene dado por:

e = 1 -Q1/Q2  = 1 - T1/T2

donde T2 es la temperatura del foco frío y T1 la del foco caliente.

Lo que sucede en las máquinas reales es que parte del calor no solamente fluye sino que se gasta para realizar un trabajo.

El razonamiento de Carnot sufrió un contratiempo temporal  porque cuando Joule descubrió la ley conservación de la energía pocos años después, lo hizo desbaratando la teoría del calórico que él había utilizado.

Fue el científoco alemán Rudolf Clausius quien rescató las ideas de Carnot y además tuvo el acierto de definir una cantidad que idealmente se tenía que conservar siempre en una máquina ideal. Esta cantidad, a la que denominó entropía, todavía está dando de hablar hoy en día, y la definió cómo:

S = Q / T

Q: calor.

T:  temperatura.