El cicle de Carnot és un concepte fonamental a la termodinàmica i representa un model ideal d'una màquina tèrmica reversible que opera entre dues fonts de calor, una calenta i una freda.
Aquest cicle va ser proposat pel físic francès Sadi Carnot el 1824 i és essencial per comprendre els límits teòrics de l'eficiència de les màquines tèrmiques.
El cicle de Carnot és un model ideal i no es pot aconseguir completament a la pràctica a causa de les inevitables pèrdues i friccions en els sistemes reals. Tot i això, serveix com una referència teòrica important per comprendre els límits de l'eficiència de les màquines tèrmiques en condicions ideals.
Etapes del cicle de Carnot
El cicle de Carnot consta de quatre etapes reversibles que es duen a terme en dos processos isotèrmics (a temperatura constant) i dos processos adiabàtics (sense transferència de calor):
-
Procés isotèrmic (escalfament isòcor): En aquesta etapa, el sistema (per exemple, un gas) es col·loca en contacte amb una font de calor calenta a una temperatura Th i s'expandeix isotèrmicament, mantenint una temperatura constant durant tot el procés. Durant aquest pas, el sistema absorbeix calor de la font calenta.
-
Procés adiabàtic (expansió adiabàtica): En aquesta etapa, el sistema s'aïlla tèrmicament, de manera que no hi ha transferència de calor amb l'entorn. El gas continua expandint-se, fent un treball sobre l'entorn i, com a resultat, la seva temperatura disminueix.
-
Procés isotèrmic (refredament isòcor): El sistema es posa en contacte amb una font de calor freda a una temperatura Tc. Durant aquesta etapa, el gas es comprimeix isotèrmicament, mantenint una temperatura constant i alliberant calor cap a la font freda.
-
Procés adiabàtic (compressió adiabàtica): El sistema s'aïlla tèrmicament novament, de manera que no hi ha transferència de calor amb l'entorn. El gas es comprimeix adiabàticament, realitzant un treball sobre el sistema i augmentant-ne la temperatura.
En completar aquestes quatre etapes, el sistema torna al seu estat inicial, i el cicle es pot repetir.
Eficiència
L'eficiència del cicle de Carnot es defineix com la relació entre el treball net realitzat i la calor absorbida de la font calenta:
Eficiència = 1 - (Tc / Th )
On Tc és la temperatura de la font freda i Th és la temperatura de la font calenta.
L'eficiència del cicle de Carnot és la màxima possible per a qualsevol màquina tèrmica operant entre les mateixes dues temperatures Tc i Th.
Màquina de Carnot
Una màquina de Carnot és una màquina tèrmica reversible que opera entre dues fonts de calor, una calenta i una freda, i fa feina a partir del flux de calor entre aquestes dues fonts.
Aquesta màquina teòrica sutilitza per il·lustrar els principis fonamentals de la termodinàmica i establir els límits teòrics deficiència per a qualsevol màquina tèrmica.
Cicle de Carnot invers
El cicle de Carnot invers, també conegut com a nevera de Carnot o màquina frigorífica de Carnot, és el concepte invers al cicle de Carnot clàssic.
Mentre que el cicle de Carnot descriu una màquina tèrmica que converteix calor en feina, el cicle de Carnot invers descriu una màquina frigorífica que realitza treball per transferir calor des d'una font freda cap a una font calenta, en contra del flux natural de la calor.
L'objectiu principal d'un refrigerador o màquina frigorífica és mantenir una regió o un sistema a una temperatura més baixa que la temperatura de l'entorn. Per aconseguir això, cal una aportació d'energia externa (treball) per realitzar el procés de refredament.
El cicle de Carnot invers consta de quatre etapes reversibles, igual que el cicle de Carnot clàssic, però les adreces dels processos són oposades:
-
Procés adiabàtic (compressió adiabàtica): En aquesta etapa, el refrigerant es comprimeix adiabàticament, cosa que augmenta la seva temperatura i pressió. Es fa un treball sobre el refrigerant per comprimir-lo.
-
Procés isotèrmic (escalfament isòcor): El refrigerant es posa en contacte amb la font calenta a una temperatura Th. Durant aquest pas, el refrigerant absorbeix calor de la font calenta, mentre la seva temperatura roman constant.
-
Procés adiabàtic (expansió adiabàtica): En aquesta etapa, el refrigerant s'expandeix adiabàticament, cosa que en redueix la temperatura i la pressió. El treball es fa sobre el sistema per permetre l'expansió adiabàtica.
-
Procés isotèrmic (refredament isòcor): El refrigerant es posa en contacte amb la font freda a una temperatura Tc . Durant aquesta etapa, el refrigerant allibera calor cap a la font freda, mantenint una temperatura constant.
En completar aquestes quatre etapes, el refrigerant torna al seu estat inicial, i el cicle es pot repetir per mantenir el procés de refredament.
Importància del cicle de Carnot
El cicle de Carnot és de gran importància a la termodinàmica i la ciència en general per diverses raons fonamentals:
El cicle de Carnot és de gran importància a la termodinàmica i la ciència en general per diverses raons fonamentals:
1. Estableix límits teòrics d'eficiència
Aquest cicle proporciona la màxima eficiència teòrica possible per a qualsevol màquina tèrmica que operi entre dues fonts de calor a diferents temperatures.
L'eficiència màxima només s'aconsegueix quan el cicle és completament reversible, i aquest valor màxim està determinat exclusivament per les temperatures de les fonts de calor involucrades.
2. Permet entendre la reversibilitat
El cicle de Carnot és completament reversible, cosa que significa que pot operar en les dues direccions, tant com a màquina tèrmica que converteix calor en treball com un refrigerador que transfereix calor d'una font freda a una calenta.
Aquesta reversibilitat teòrica és essencial per entendre els conceptes dʻirreversibilitat i pèrdues dʻenergia en sistemes reals. A la pràctica, les màquines reals són sempre menys eficients i, per tant, irreversibles en certa mesura.
3. Ajuda en el disseny i millora de sistemes tèrmics
Tot i que el cicle de Carnot és un model ideal i no es pot implementar perfectament en sistemes reals a causa de les inevitables pèrdues i friccions, proporciona una guia valuosa per dissenyar i millorar sistemes tèrmics.
Els enginyers i científics l'utilitzen com a referència per avaluar el rendiment de màquines tèrmiques, com ara motors i generadors, i sistemes de refrigeració, i per identificar àrees de millora en l'eficiència.
4. Contribueix a l'entesa de la termodinàmica
El cicle de Carnot és un pilar fonamental de la termodinàmica i proporciona una base sòlida per a l'estudi d'altres cicles termodinàmics, com ara el cicle Rankine en plantes d'energia i el cicle Brayton en turbines de gas.
A més, el cicle de Carnot ajuda a comprendre conceptes clau de la termodinàmica, com ara la feina, la calor, l'entropia i la transferència d'energia en sistemes tèrmics.
