El ciclo de Carnot

Gas ideal

La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente

En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales:

  1. La presión, volumen de cada uno de los vértices.
  2. El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos.
  3. El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido y el rendimiento del ciclo.

Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla.

Variables A B C D
Presión p (atm) pA      
Volumen V (litros) VA VB    
Temperatura T (K) T1 T1 T2 T2

Las etapas del ciclo

Para obtener las variables y magnitudes desconocidas emplearemos las fórmulas que figuran en el cuadro-resumen de las transformaciones termodinámicas.

  1. Transformación A->B (isoterma)
  2. La presión pB se calcula a partir de la ecuación del gas ideal p B V B =nR T 1

    Variación de energía interna Δ U A→B =0

    Trabajo W A→B =nR T 1 ln⁡ V B V A

    Calor Q A→B = W A→B

  3. Transformación B->C (adiabática)
  4. La ecuación de estado adiabática es p V γ =cte o bien, T V γ−1 =cte . Se despeja Vc de la ecuación de la adiabática T 1 V B γ−1 = T 2 V C γ−1 . Conocido Vc y T2 se obtiene pc, a partir de la ecuación del gas ideal, p C V C =nR T 2 .

    Calor Q B→C =0

    Variación de energía interna Δ U B→C =n c v ( T 2 − T 1 )

    Trabajo W B→C =−Δ U B→C

  5. Transformación C->D (isoterma)
  6. Variación de energía interna Δ U C→D =0

    Trabajo W C→D =nR T 2 ln⁡ V D V C

    Calor Q C→D = W C→D

  7. Transformación D-> A (adiabática)
  8. Se despeja VD de la ecuación de la adiabática T 1 V A γ−1 = T 2 V D γ−1 . Conocido VD y T2 se obtiene pD, a partir de la ecuación del gas ideal, p D V D =nR T 2 .

    Calor Q D→A =0

    Variación de energía interna Δ U D→A =n c v ( T 1 − T 2 )

    Trabajo W D→A =−Δ U D→A

A partir de las ecuaciones de las dos adiabáticas, probamos que la relación entre los volúmenes de los vértices es

V B V A = V C V D

El ciclo completo

Ejemplo

Un gas monoatómico, cv=3R/2, describe el ciclo de Carnot de la figura. Las transformaciones A-B y C-D son isotermas a la temperatura T1=450 K y T2=293 K. Las transformaciones B-C y D-A son adiabáticas. Se conoce la presión pA=15 atm, el volumen vA=4 l, y el volumen vB=8 l (Véase la figura al final de la página)

Dato: R=8.314 J/(K mol)=0.082 atm.l/(K mol)

c p = c v +R= 3 2 R+R= 5 2 R γ= c p c v = 5 3 pV=nRT 15·4=nR·450 nR= 2 15 A→B (isoterma) 15·4= p B ·8  p B =7.5 atm  T A = T B =450 K B→C (adiabática){ T B V B γ−1 = T C V C γ−1  450· 8 2/3 =293· V C 2/3   V C =15.23 l P C V C =nR T C   P C ·15.23= 2 15 293  P C =2.57 atm   C→D (isoterma)  T C = T D =293 K D→A (adiabática){ T A V A γ−1 = T D V D γ−1  450· 4 2/3 =293· V D 2/3   V D =7.61 l P D V D =nR T D   P D ·7.61= 2 15 293  P D =5.13 atm

Vértice p(atm) V(l) T(K)
A 15 4 450
B 7.5 8 450
C 2.57 15.23 293
D 5.13 7.61 293

A→B (isoterma) Δ U AB =0 Q AB = W AB =nRTBln⁡ V B V A = 2 15 450ln⁡ 8 4 =41.59 atm·l C→D (isoterma) Δ U CD =0 Q CD = W CD =nR TDln⁡ V D V C = 2 15 293ln⁡ 7.61 15.23 =−27.08 atm·l B→C (adiabática) Δ U BC =n c v ( T C − T B )=n 3 2 R(310−850)= 2 15 3 2 (293−450)=−31.40 atm·l Q BC =0 W BC =31.40 atm·l D→A (adiabática) Δ U DA =n c v ( T C − T B )=n 3 2 R(450−293)= 2 15 3 2 (450−293)=31.40 atm·l Q DA =0

Proceso W(atm·l) Q(atm·l) ΔU(atm·l)
A→B 41.59 41.59 0
B→C 31.40 0 -31.40
C→D -27.08 -27.08 0
D→A -31.40 0 31.40
Ciclo 14.51   0

Trabajo total: W=14.51 atm·l
Calor absorbido: Qabs=41.59 atm·l
Calor cedido: Qced=27.08 atm·l

Rendimiento

η= W Q abs = 14.51 41.59 =0.349 η=1− T AB T CD =1− 293 450 =0.349

Elaboramos un script para calcular la presión, volumen y temperatura de los cuatro vértices cuando se conoce:

El programa, calcula el trabajo y calor en cada etapa del ciclo.

El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido y el redimiento del ciclo

La representación gráfica del ciclo

Este script puede servir de modelo para resolver cualquier otro ciclo

%datos
T1=450;  % Temperatura de la isoterma A y B 
T2=293;  %temperatura de la isoterma C y D
vA=4;  
vB=8;
pA=15;
R=0.082; %constante de los gases (atm·l)/(K·mol)
%gas monoatómico
gamma=5/3; % 7/5 para el diatómico
cV=3*R/2;  %calor específico, 5*R/2 para el diatómico

%resultados
nMoles=pA*vA/(R*T1);
disp('Vértices');

pB=pA*vA/vB;
vC=(T1*vB^(gamma-1)/T2)^(1/(gamma-1));
pC=nMoles*R*T2/vC;
vD=(T1*vA^(gamma-1)/T2)^(1/(gamma-1));
pD=nMoles*R*T2/vD;
fprintf('Vertice A: pA=%2.2f, vA=%2.2f, TA=%2.2f\n', pA, vA, T1)
fprintf('Vertice B: pB=%2.2f, vB=%2.2f, TB=%2.2f\n', pB, vB, T1)
fprintf('Vertice C: pC=%2.2f, vC=%2.2f, TC=%2.2f\n', pC, vC, T2)
fprintf('Vertice D: pD=%2.2f, vD=%2.2f, TD=%2.2f\n', pD, vD, T2)

disp('Trabajo');
W_AB=nMoles*R*T1*log(vB/vA);
W_BC=nMoles*cV*(T1-T2);
W_CD=nMoles*R*T2*log(vD/vC);
W_DA=nMoles*cV*(T2-T1);
fprintf('W_AB=%2.2f, W_BC=%2.2f, W_CD=%2.2f, W_DA=%2.2f\n',
 W_AB, W_BC, W_CD, W_DA)

disp('Calor');
Q_AB=W_AB;
Q_BC=0;
Q_CD=W_CD;
Q_DA=0;
fprintf('Q_AB=%2.2f, Q_BC=%2.2f, Q_CD=%2.2f, Q_DA=%2.2f\n'
, Q_AB, Q_BC, Q_CD, Q_DA)

disp('Total')
W=W_AB+W_BC+W_CD+W_DA;
Q=Q_AB+Q_BC+Q_CD+Q_DA;
fprintf('Trabajo=%2.2f, Calor absorbido=%2.2f, Calor cedido=%2.2f,
rendimiento=%1.2f\n', W, Q_AB, Q_CD, W/Q_AB);
rendimiento=1-T2/T1;
disp(rendimiento)

%gráfica del ciclo
hold on
fplot(@(v) v,@(v) (nMoles*R*T1)./v, [vA,vB], 'r')
fplot(@(v) v,@(v) (pB*vB^gamma)./v.^gamma,[vB,vC], 'k')
fplot(@(v) v,@(v) (nMoles*R*T2)./v, [vD,vC],'b')
fplot(@(v) v,@(v) (pA*vA^gamma)./v.^gamma,[vA,vD],'k')

xlim([0,vC+1])
ylim([0,pA+1])
hold off
grid on
xlabel('v(l)')
ylabel('p(atm)')
title('Ciclo de Carnot')
Vértices
Vertice A: pA=15.00, vA=4.00, TA=450.00
Vertice B: pB=7.50, vB=8.00, TB=450.00
Vertice C: pC=2.57, vC=15.23, TC=293.00
Vertice D: pD=5.13, vD=7.61, TD=293.00
Trabajo
W_AB=41.59, W_BC=31.40, W_CD=-27.08, W_DA=-31.40
Calor
Q_AB=41.59, Q_BC=0.00, Q_CD=-27.08, Q_DA=0.00
Total
Trabajo=14.51, Calor absorbido=41.59, Calor cedido=-27.08, rendimiento=0.35

rendimiento =    0.3489

Gas de van der Waals

La ecuación de van der Waals tiene en cuenta el volumen finito de las moléculas y las fuerzas atractivas que una molécula ejerce sobre otra a distancias muy cercanas entre ellas.

( p+ n 2 a V 2 )( V−nb )=nRT

Las constantes a y b son característicos de cada gas y se obtienen a partir de los datos de la presión Pc, volumen Vc y la temperatura Tc crítica.

Transformación adiabática

La entropía de una sustancia es una función de dos variables, la temperatura T y el volumen V. La tercera variable p está relacionada con las otras dos V y T por la ecuación de estado

S=S(T,V) dS= ( ∂S ∂T ) V dT+ ( ∂S ∂V ) T dV TdS=T ( ∂S ∂T ) V dT+T ( ∂S ∂V ) T dV

Hemos multiplicado ambos miembros por la temperatura T

Teniendo en cuenta δQ=T·dS, y δQ=ncvdT, en una transformación a volumen constante

n c v dT=T ( ∂S ∂T ) V dT n c v =T ( ∂S ∂T ) V

donde cv es el calor específico a volumen constante.

TdS=n c v dT+T ( ∂S ∂V ) T dV

Teniendo en cuenta la tercera relación de Maxwell

( ∂S ∂V ) T = ( ∂p ∂T ) V

obtenemos

TdS=n c v dT+T ( ∂p ∂T ) V dV

En una transformación adiabática, δQ=T·dS=0

n c v dT+T ( ∂p ∂T ) V dV=0

Para el gas de van der Waals

p= nRT V−nb − n 2 a V 2 ( ∂p ∂T ) V = nR V−nb

Obtenemos

n c v dT+T nR V−nb dV=0

Separamos variables e integramos

c v dT T =− R V−nb dV c v lnT=−Rln( V−nb )+C lnT+ln ( V−nb ) R c v =C T ( V−nb ) R c v =C

Despejamos la temperatura T en la ecuación de van der Waals y la introducimos en esta última ecuación

T= 1 nR ( p+ n 2 a V 2 )( V−nb ) 1 nR ( p+ n 2 a V 2 )( V−nb ) ( V−nb ) R c v =C ( p+ n 2 a V 2 ) ( V−nb ) Γ =C, Γ= R c v +1

El índice Γ es distinto de γ=cp/cv de un proceso adiabático con gas ideal. C es una constante

Calor específico a volumen connstante cv

Aplicamos el primer pricipio de la Termodinámica

δQ=TdS=n c v dT+T ( ∂p ∂T ) V dV dU=δQ−pdV=n c v dT+( T ( ∂p ∂T ) V −p )dV

Para que dU sea diferencial exacta, se tiene que cumplir que

dU(t,x)=P(t,x)dt+Q(t,x)dx ∂P ∂x = ∂Q ∂t

En nuestro caso

n ∂ c v ∂V = ∂ ∂T ( T ( ∂p ∂T ) V −p ) n ∂ c v ∂V = ∂ ∂T ( T nR V−nb − nRT V−nb + n 2 a V 2 ) ∂ c v ∂V = ∂ ∂T ( na V 2 ) ∂ c v ∂V =0

Lo que indica que el calor específico cv no depende del volumen V, solamente de la temperatura T.

Calor

Partiendo de la ecuación

δQ=n c v dT+T ( ∂p ∂T ) V dV

Para el gas de van der Waals

δQ=n c v dT+T nR V−nb dV

Si la temperatura es constante

δQ=T nR V−nb dV

Trabajo y calor en las cuatro transformaciones

Ciclo completo

El rendimiento del ciclo es

η= W Q 23 = nR T H ln( V 3 −nb V 2 −nb )−nR T C ln( V 4 −nb V 1 −nb ) nR T H ln( V 3 −nb V 2 −nb ) =1− T C ln( V 4 −nb V 1 −nb ) T H ln( V 3 −nb V 2 −nb )

Teniendo en cuenta las relaciones obtenidas en las transformaciones adiabáticas

{ ∫ T C T H c v dT T +Rln( V 2 −nb V 1 −nb )=0 ∫ T H T C c v dT T +Rln( V 4 −nb V 3 −nb )=0 ln( V 2 −nb V 1 −nb )+ln( V 4 −nb V 3 −nb )=0 ln( V 4 −nb V 1 −nb )=ln( V 3 −nb V 2 −nb )

Obtenemos la misma expresión del redimiento del ciclo de Carnot η que para un gas ideal

η=1− T C T H

Referencias

D C Agrawal, V J Menon. The Carnot cycle with the van der Waals equation of state. Eur. J. Phys 11, (1990). pp. 88 - 90

Kiran S. Kumar, Aravind P. Babu, M. Ponmurugan. Van der Waal’s gas equation for an adiabatic process and its Carnot engine efficiency. Physics Education. Jul-Sep 2017