Termodinámica de Carnot

Máquina de vapor. Potencia motriz del fuego. Ciclo ideal de un motor perfecto. Calor, temperatura. Biografía

  • Enviado por: Eduardo Cárdenas
  • Idioma: castellano
  • País: México México
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Introducción.

Sadi Carnot podría ser considerado como Copérnico, día que sus aportaciones al mundo de la ciencia han sido el inicio del desarrollo científico y tecnológico.

Sadi Carnot, hijo de Lázaro Carnot supo colocar su nombre en la historia gracias a sus estudios en termodinámica. En 1832 Sadi Carnot muere víctima del cólera y todos sus escritos, fueron quemados con el fin de evitar la propagación del epidemia de los pocos textos que sobreviven están contemplado las reflexiones. Es importante reconocer el trabajo de Sadi en esta obra pues se puede decir que no hubo estudios de termodinámica anteriores al suyo.

La ciencia del calor y ciencia desde la creación y utilización del primer termómetro. La ciencia del calor entre la química y su creación de la escala grados Fahrenheit y grados centígrados.

En el siglo XVIII, esta ciencia era denominada por químicos y hombres dedicados a la medicina. En esta época que el calor es concebido como una sustancia a "la fuerza de la vida".

no es si no hasta el siglo XIX que se tiene otro concepto del calor, lo meteorologistas juegan un papel importante en la formulación del calor como " la gran fuerza motriz del mundo " pues interviene en ciclo hidrológico, formación de vientos, lluvia, etc.

El desarrollo de la máquina de vapor en El siglo XVIII

Las primeras aplicaciones de esta máquina es el bombeo de agua a las minas. Varias máquinas fueron inventadas una vez cada vez mejor que la otra pues aprovechar el combustible y el calor era el objetivo.

El agua llamada "substancia actuante " era la más conveniente para la utilización en un aparato térmico.

Para el inicio del siglo XIX la tecnología había dado pasos enormes, la teoría de la energía hidráulica fue sólidamente establecidas pero la ciencia del calor no tuvo gran desarrollo.

El bombeo del agua en Las minas: progreso y problemas

En el siglo XIX bombear agua a las minas fue el empujón para que los aparatos de vapor fueran perfeccionados.

Estos avances en la ingeniería dan resultado a postulados:

  • Boerhaave "Dos cuerpos llevados a temperaturas diferentes tienden a alcanzar un equilibrio térmico”

  • Ewart "una cantidad de calor dada podría producir solamente una cantidad trabajo dada".

  • J.B.Furier "el calor radiante obedece a una ley sinusoidal de emisión; puesto que de otro modo sería imposible que un sistema de cuerpo alcanzara su equilibrio térmico.

Las reflexiones sobre la potencia motriz del fuego

Se pueden distinguir cuatro partes del libro de Carnot.

la primera parte habla del calor como fuerza causada de los grandes movimientos naturales que se produce en la tierra; él piensa que "el rendimiento de las mejores y más potentes máquinas de vapor es insignificante comparado con los enormes efectos que causa el calor en el mundo natural"

Carnot sostiene en esta primera parte del libro que sin diferencia de temperaturas es imposible engendrar potencia motriz

Ciclo ideal de un motor perfecto

En la segunda parte de su libro definía un motor perfecto y su ciclo ideal de funcionamiento. El motor térmico es reducido estrictamente a sus elementos esenciales: un cilindro, lleno de una substancia agente que puede ser el vapor o un gas, un pistón, un cuerpo caliente y un cuerpo frío que representan al equivalente de la fuente de calor y del condensador de un motor de vapor real. Para él, la diferencia de temperatura entre un cuerpo frío y uno caliente, es lo que determina el trabajo proporcionado por el motor. El ciclo ideal está definido como " la substancia que actúa en el cilindro nunca debe de estar en contacto con un cuerpo más frío o más caliente que ella pues de lo contrario habrá un flujo de calor inútil " El ciclo se puede resumir en una transferencia de calor de un cuerpo caliente a uno frío y la producción de un trabajo externo; al final de este ciclo la substancia activa vuelve a su estado original y no hay desperdicio de calor.

Este ciclo puede ser reversible, es decir, se agrega un trabajo al sistema y hay una transmisión de calor esta vez del cuerpo frío al cuerpo caliente. El postulado anterior es posible ya que no hay flujo de calor inútil.

Carnot de muestras en la tercera parte de su libro que todo gas que dilata o comprime de una presión y de un volumen a otra presión y a otro volumen a temperatura constante. Ya sea que absorben a bien desprenden la misma cantidad de calor.

En la última parte del libro, Carnot muestra la superioridad de los motores de alta presión comparados con los de baja presión, pero cree que el motor de vapor será reemplazado por el motor de azufre ya que es difícil manejar la combustión del carbón y la condensación del vapor a diferentes temperaturas.

En 1824 pocos lectores podían apreciar la obra de Carnot

Los ingenieros contemporáneos a Carnot refutaban su tesis, pues se basaban en resultados de la práctica.

Además, Sadi, llegó a dudar de sus teorías. Renunció a la teoría material del calor y así como al axioma de la conservación del calor y la teoría de "La potencia motriz " Carnot quería encontrar un equivalente mecánico del calor.

II. Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre Las maquinas aptas para desarrollar esta potencia.

Al calor deben atribuirse los grandes movimientos que se nos presentan sobre la tierra; a él son debidas las agitaciones de la atmósfera, la ascensión de las nubes, la caída de las lluvias y de los otros meteoros, las corrientes de agua que surcan la superficie del globo y de las cuales sólo una pequeña parte ha logrado el hombre emplear para su uso; por último, los terremotos y las erupciones volcánicas reconocen también como causa el calor.

De este inmenso recipiente podemos sacar la fuerza motriz necesaria para nuestros usos; la naturaleza ofreciéndonos por todas partes el combustible, nos ha dado la facultad de crear en todo tiempo y en todo lugar el calor y la potencia motriz que es su consecuenci al objeto de las máquinas de fuego consiste en desarrollar esta potencia y adaptarla a nuestro uso.

La navegación segura y rápida de los buques de vapor, puede considerarse como un arte completamente nuevo, debido a las máquinas de fuego. Este arte ha permitido ya el establecimiento de comunicaciones rápidas y regulares en los mares y grandes ríos del antiguo y del nuevo continente.

La producción del movimiento en las máquinas de vapor está siempre acompañada de una circunstancia sobre la cual debemos fijar la atención. La producción de la potencia motriz en las máquinas de vapor, no es debida a un consumo real de calórico, sino a su transporte de un cuerpo caliente a un cuerpo frío, es decir, al restablecimiento de su equilibrio, que se supone roto por cualquier causa, por una acción química como la combustión, o por cualquiera otra.

Estas máquinas fueron invención de ingleses célebres tales como Watt, Woolf, Trevithick, y otros signos inglés.

El funcionamiento básico de la máquina de la máquina de vapor es el restablecimiento del equilibrio calórico, es decir, el paso de esta última de un cuerpo caliente a un cuerpo más frío.

Consideremos dos cuerpos con diferentes temperaturas, el calórico desarrollado en el primero (el cuerpo más caliente) por efecto de la combustión que desarrolla dentro de él, atraviesa las paredes de la caldera y da lugar al vapor y en cierto modo se incorpora a él. El vapor que ahora lleva consigo el calórico, empuja el cilindro produciendo un trabajo, desde allí pasa al condensador donde se licúa al ponerse en contacto con el agua fría que lo contiene. Al final de este proceso, el agua fría absorbe parte del calórico desarrollado por la combustión.

En esta operación, como ya se mencionó con anterioridad, es fácil reconocer el restablecimiento del calórico, en su paso de un cuerpo más o menos caliente a otro más frío.

Cabe destacar, que la producción de potencia motriz, no es resultado del consumo real de calórico sino al restablecimiento de su equilibrio, que se supone roto, por una acción química como la combustión, o por cualquier otra.

Hemos visto hasta ahora al vapor de agua como agente de producción de potencia motriz, pero no es el único, todos los cuerpos de la naturaleza pueden emplearse para este uso; pues todos son susceptibles de cambios de volumen, de contracciones y dilataciones sucesivas por las alternativas de calor y frío.

Los vapores de todos estos cuerpos podrían desempeñar el mismo papel que el vapor de agua. Este, alternativamente calentado y enfriado produciría potencia motriz a modo permanente, sin pasar nunca el estado líquido.

Queda un punto en el aire, y es el de si la potencia motriz del calor es inmutable en cantidad, o varía con el agente del cual se hace uso para realizarla.

Para resolver este punto, haremos uso de las nociones utilizadas anteriormente, "Allí donde exista una diferencia de temperatura, se puede producir potencia motriz”. Recíprocamente, donde quiera que se pueda hacer uso de esta potencia, es posible ocasionar una ruptura del equilibrio en el calórico.

Es un hecho experimental que la temperatura de los fluidos gaseosos se eleva por la compresión y disminuía por el enrarecimiento (expansión). Para ilustrar este axioma, supongamos que tenemos los cuerpos A y B transportando cierta cantidad de calor del primer cuerpo al segundo cuerpo. Para llegar a lo anterior pasaríamos por los siguientes pasos:

  • Con el calórico del cuerpo A se ha forma vapor; este tendría la temperatura del cuerpo que lo contiene.

  • Habiéndose dilatado el vapor, tal como un cilindro provisto de un pistón, aumenta su volumen, por consiguiente temperatura disminuye hasta que alcance la temperatura del cuerpo B.

  • El vapor condensado al estar en contacto con el cuerpo B, ejerciendo todo el tiempo sobre él, una presión constante.

Esta operación se hubiese podido hacer en un sentido o en sentido inverso. Lo que significaría producir vapor a partir del calor del cuerpo B, y a la temperatura de este cuerpo, comprimirlo hasta hacerle adquirir la temperatura del cuerpo A, por último, condensarlo por su contacto con éste y continuar la compresión hasta una licuefacción completa. En la primera operación se produce simultáneamente potencia motriz de transporte de calórico del cuerpo A al cuerpo B; en las operaciones inversas, existe a la vez de consumo de potencia motriz de vuelta de calórico del cuerpo B al cuerpo A. Considerando que no ha habido pérdida ni de potencia motriz ni de calórico, la cantidad potencia motriz producida en el primer casos será igual a la suministrada, en el segundo, del cuerpo A al cuerpo B será igual a la que volvió a pasar, en el segundo, del cuerpo B al cuerpo A, de modo que se podría ser un número indefinido de operaciones alternativas de esta clase sin que al final se haya producido potencia motriz de ella ha pasado calórico de un cuerpo al otro.

Querer producir una potencia motriz superior a la producida en los experimentos anteriores a partir del mismo calórico es imposible. Partiríamos unas condiciones iniciales para llegar a unas finales idénticas a las primeras. De lo anterior se debe deducir que el máximo de potencia motriz que se obtiene empleando el vapor es también el máximo de potencia motriz realizable por cualquier medio.

Del restablecimiento del equilibrio en calórico produce potencia motriz, si acaso hay un restablecimiento de equilibrio que se haga sin potencia motriz se considera como una pérdida.

En la condición necesaria del máximo este halla un cambio de temperatura acompañado de un cambio de volumen.

Este principio es la base de las máquinas de fuego; durante todo el proceso no debe de haber contacto alguno entre la substancia activa y los cuerpos. Para demostrar lo anterior, nos basamos en el primer ejemplo. El calórico del cuerpo A empleado para formar, por tanto no tenía lugar sino entre los cuerpos de igual temperatura; a esto le siguen la dilatación del vapor de significan aumento del volumen, por último la condensación se realiza sin contacto de cuerpos con temperaturas diferentes. Esto se realizaba ejerciendo una presión constante sobre el vapor pues en contacto sólo el cuerpo B de igual temperatura que él. por consecuencia las condiciones del máximo se cumplen.

Si se quiere determinar el paso del calórico de un cuerpo, se necesita en el primero un exceso de temperatura cualquiera. Pero para el segundo caso se quiere pasar en la temperatura del cuerpo B a la del cuerpo A (recordando que estos cuerpos tienen la misma temperaturas), se necesitan tener varios pasos en los cuales iríamos variando la temperatura muy poco pasando del cuerpo B a un cuerpo C, D etc. hasta llegar a la temperatura del cuerpo A.

Hasta ahora podemos deducir tres puntos importantes para la producción de potencia motriz:

  • La potencia tiene un máximo de no se pueda rebasar sin importar la maquinaria que se posea.

  • La potencia motriz depende de la cantidad de calórico empleado.

  • La potencia motriz depende de la diferencia de temperaturas entre el cuerpo caliente y el cuerpo frío.

Partiendo del concepto que si a un gas se les comprime esté aumenta temperatura; y si por el contrario enrarecemos el gas, éste no disminuirá su temperatura al menos que se la transmita a otro, podemos crear un ciclo que comience transmitiendo el calor del cuerpo A al aire atmosférico hasta el enfriamiento de dicho aire en el cuerpo B; pero también se podría realizar en sentido inverso.

El resultado la primera operación sería la producción de una cierta cantidad de potencia motriz del transporte del calórico del cuerpo A al cuerpo B; el resultado de las operaciones inversas es el consumo de potencia motriz producida y la vuelta de calórico del cuerpo B al A. Gracias a estos postulados es fácil probar la imposibilidad de hacer el calórico produzca una potencia motriz superior a la que hemos obtenido por nuestra primeras serie de operaciones. Este axioma tendencia mayor exactitud si el final del ciclo llegáramos a las condiciones iniciales.

Si queremos resumir todo lo anterior diríamos que "la obtención motriz no depende de los agentes que intervienen para realizarla, el calórico depende de la diferencia entre dos cuerpos uno más o menos caliente y otro más frío ".

A todos estos conceptos hay que agregar que para producir una potencia motriz es necesaria la aplicación de dos substancias diferentes o bien con el empleo de la misma substancia pero en dos estados diferentes, por ejemplo, un gas con dos densidades diferentes.

Gracias a las teorías de Mariotte, Gay Lussac y Dalton, podemos deducir que si tenemos dos gases diferentes tomados a la misma temperatura y bajo la misma presión, los gases debían de comportarse de la misma manera, pues están bajo condiciones similares. Además si utilizamos estos gases en los ejemplo descritos hasta este momento produciría la misma potencia motriz.

Otro concepto importante a mencionar, si tenemos un gas que cambia de un volumen y de una presión determina a otro volumen y a otra presión igualmente determinada, la cantidad de calórico absorbida o desprendida será la misma para cualquiera de los casos antes mencionados, sin importar el gas que se emplee.

Hasta ahora no se ha podido determinar la cantidad de calor que desprende un absorbe un cuerpo con un volumen, pero existe un dato importante en nuestro estudio. El aire atmosférico debe elevarse de 1° centígrado, cuando por efecto de una compresión sufre su volumen una reducción de número 1/116.Gay Lussac y Dalton dicen, el calor absorbido por aumento de volúmenes iguales, es el mismo para todos los fluidos elásticos. Por lo que " la diferencia entre el calor específico a volumen constante y el calor específico a presión constante es la misma para todos los gases ".

Un enunció importante para el estudio de la máquina de vapor es " se quiere que la cantidad de calor absorbida del cambio de un volumen a otro sea la misma, no debe de haber cambio de temperatura ni cambió de peso de un cambio de volumen a otro".

Hasta ahora se ha pasado por alto el hecho de que cada gas posee su propio calor específico a volumen constante y a presión conste, así como el aumento de temperatura único de cada gas al comprimir lo 1/116.

Durante los procesos mencionados existe un cambio de calor específico el cual está dado por la relación entre el volumen primitivo y el volumen final. Si lo anterior se quiere decir con otras palabras " puesto que un gas aumenta de volumen en progresión geométrica, su calor específico aumentará en progresión aritmética ".

Ahora se nos enfocamos en la cantidad de calor producto de una variación de volumen nos daremos cuenta que es más considerable cuanto más elevada sea la temperatura.

Como ejemplo al duplicar el volumen de cierta cantidad de aire, será necesario más calórico para mantener su temperatura a 100 ° que a 1° durante una dilatación completamente análoga. De todo esto podemos decir, que a menor temperatura el equilibrio térmico producirá más potencia motriz que a una temperatura superior.

Los fluidos tales como, gases, vapores los podemos considerar como los mas apropiados para la producción de potencia motriz, ya que son fáciles de comprimir, poseen la capacidad de extenderse casi indefinidamente; si sufren un cambio de volumen su temperatura varia, resulta fácil alterar su temperatura y no es difícil transportarlos.

En este momento podemos enumerar los principios de una máquina de vapor con la teoría mencionada hasta ahora:

  • Procurar calentar el fluido a una temperatura los mas elevada posible, de este modo, al momento de enfriar el fluido, tendremos una caída de vapor demasiado alta, y por consecuencia, una potencia motriz elevada.

  • El enfriamiento debe de ser llevado lo mas lejos posible.

  • Se debe de buscar el enrarecimiento del gas para enfriarlo.

Al desarrollar experimentos con aire atmosférico para desarrollar potencia motriz, este gas ha presentado inconvenientes y ventajas con respecto al vapor de agua. Una ventaja de este gas comparado con el vapor de agua, es que teniendo un volumen igual una capacidad para calor mucho menor, se enfriará más con un enrarecimiento análogo al volumen. Si recordamos lo que ya se mencionó con anterioridad vemos que este punto es importantísimo puesto que mientras más grande sea la caída del calórico mejor será la potencia motriz producida.

A diferencia del vapor de agua, el aire atmosférico no necesita de un recipiente con una resistencia extraordinaria cuando se maneja a altas temperaturas, para el aire no existe una relación entre la fuerza elástica y la temperatura.

Por tanto la utilización de aire atmosférico parece ser el fluido más indicado para producir potencia motriz, es por eso, que el perfeccionamiento de las máquinas de vapor de perder de enfocarse a la utilización de vapor de agua pero sobretodo a la utilización de aire atmosférico.

III. Esbozo biográfico de Sadi Carnot

El físico francés Sadi Carnot, nace un 11 de junio de 1796 en París Francia. Su padre Lázaro Nicolás Marguerite Carnot, era un hábil matemático e ingeniero. El fue quien se preocupó por educar y formar a su hijo, además le dio una orientación científica a la educación. En 1820, se ha de Carnot se retira del ejército para orientar su vida y al estudio y a la investigación de París. Como resultado de sus estudios Sadi Carnot escribió un libro de 118 páginas escrito en 1809, pero no fue hasta 1824, que se publica su libro titulado "Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las maquinas destinadas a desarrolla esta potencia ".

Este libro es considerado de gran importancia para el desarrollo de la termodinámica.

Carnot revela en este libro sus vastos conocimientos de física así como de las máquinas de vapor, pero él toma al calor como algo material.

En 1831, Carnot se enfermó y escribió a sus amigos diciendo les que tenía inflamación de los pulmones, y seguida de escarlatina. Pero por mala suerte cuando se recupera, fue invadida por una epidemia de cólera, Sadi Carnot la contrajo y murió el 24 de agosto de 1832, alega de 36 años.

El punto importante en esta obra fue el descubrimiento del segundo principio de la termodinámica que enunció en 1824, ayudándose en sus investigaciones de conceptos y la terminología de aquel entonces, por ejemplo, máquina de fuego, calórico, creencia de en la conservación del calor, etc.. Pero no fue sino hasta 1878 que se da a conocer su obra por completo, lo cual significa que no pudo influir en la ciencia contemporánea al francés, Carnot descubrió el principio de la conservación de la energía, estableció el equivalente mecánico del calor y se proponía realizar los experimentos que hicieron célebres a Joule, y Colding e Him.

Conclusiones

Los estudios de Sadi Carnot han servido de base para la termodinámica. Los conceptos que utiliza en su libro, se aplican hoy en día en disciplinas en donde la transformación del calor en energía mecánica es importante.

Como estudiante de Ingeniería Mecánica, el libro “Reflexiones sobre la Potencia Motriz del Fuego”, me parece muy interesante, pues el tema principal es una de las razones por las cuales estoy estudiando la carrera.

En fin, esta obra despierta en mi, inquietudes sobre este tema que espero ver en la carrera por ejemplo, el diseño y concepción de maquinas de transformación de energía.

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