S14 s2 - 2da ley de la termodinamica - Ciclo de Carnot

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Cálculo Aplicado a la Física III 
Semana 14 – Sesión 2
Segunda ley de la termidinámica:
Ciclo de Carnot
Datos/Observaciones
Logro de la sesión
El estudiante identifica y comprende que el ciclo 
de Carnot permite explicar la eficiencia máxima 
de una máquina térmica.
Datos/Observaciones
AGENDA
 El ciclo de Carnot
 Eficiencia máxima de un motor térmico
 Eficiencia máxima de un refrigerador
 Escalas de temperatura
 Ciclos 
Ciclo de Carnot
Sadi Carnot
Ingeniero francés 
(1796–1832)
Dadas dos fuentes de calor, una caliente y una fría
¿Cuál es la máxima eficiencia o rendimiento que se 
puede obtener de un motor térmico?
¿Cómo es posible?
Procesos reversibles
• La transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita es un 
proceso irreversible. 
• La fricción reduce la eficiencia porque la energía mecánica se transforma 
irreversiblemente en calor.
Ciclo de Carnot
• El intercambio de calor es
realizado isotérmicamente.
• El cambio de temperatura es
realizado adiabáticamente.
Procesos reversibles
Ciclo reversible
Ciclo de 
Carnot
Ciclo de Carnot
• Ninguna maquina termica que funcione entre dos depositos de energía (una
Fuente caliente y una Fuente fria) puede ser mas eficiente que una maquina
de Carnot que funcione entre los mismos dos depositos.
• Todas las máquinas de carnot que operen entre estas dos fuentes tendrán el 
mismo rendimiento.
Ciclo de Carnot
�� = �� = �
�� = 1 −
�	
�
=
�
�
�� = 1 −
�	
�
�
� =
�
�
�
Se ajustan los ciclos para que:
Considerando:
�� < ��
Invirtiendo la máquina de Carnot 
se utiliza como refrigeradir:
Ciclo de Carnot
�
 − �
� = �	 − �	
� > 0
�� ≥ ��
Efecto: transferir calor
De la fuente fría a la fuenta caliente
Viola principio Clausius (C)
Ciclo de Carnot
Si (I) también es una máquina de 
Carnot (R´) se pueden invertir los 
papeles de (R´) y (R)
��´ ≥ ��
�� = ��´
Las únicas características de la 
fuente caliente y fría del ciclo 
de Carnot son sus temperaturas.
Escala termodinámica de la temperatura
El rendimiento de la Máquina de 
Carnot debe ser una función 
universal de T1 y T2
�
�	
= � �
, �	
Escala termodinámica de la temperatura
3 ciclos de Carnot posibles:
1-2-3-4, 4-3-5-6 ó 1-2-5-6
�
�	
= � �
, �	1-2-3-4, 
�	
��
= � �	, ��4-3-5-6, 
�
��
= � �
, ��1-2-5-6, 
�
�	
=
�
��
��
�	
Escala termodinámica de la temperatura
� �
, �	 =
� �
, ��
� �	, ��
Definimos:
� � = �
�
�	
= � �
, �	 =
� �
� �	
Escala termodinámica de la temperatura
Definido:
� � = �
�
�	
= � �
, �	 =
� �
� �	
�
�	
=
�
�	
� =
�	
�
 − �	
=
�	
�
 − �	
Refrigerador
� = 1 −
�	
�
= 1 −
�	
�
Motor térmico
Ejemplo
La caldera de una máquina a vapor funciona a 180℃ (T1= 453K) y el vapor escapa directamente para la
atmosfera. ¿Cuál seria el rendimento máximo de la máquina?
Ejemplo
Un motor de vapor tiene una caldera que opera a 500 K. La energía de la caldera transforma el agua en
vapor que mueve el pistón. La temperatura de escape es la del aire exterior, 300 K. a) ¿Cuál es la eficiencia del 
motor si es un motor ideal? b) Si los 3.50×103 J de energía se suministran de la caldera, encuentre la energía 
transferida al depósito frío y el trabajo realizado por el motor sobre su entorno.
Ejemplo
Para una máquina térmica de Carnot que opera con gas ideal entre una fuente caliente a temperatura T1 y una 
fuente fría a temperatura T2 demostrar:
� = 1 −
�	
�
Ejemplo
Para una máquina térmica de Carnot que opera con gas ideal entre una fuente caliente a temperatura T1 y una 
fuente fría a temperatura T2 demostrar:
� = 1 −
�	
�
Cilindro de un automovil
Ciclo de Otto: ηgasolina=25%
Datos/Observaciones
Recordar
 La eficiencia de una máquina Carnot depende 
únicamente de la temperatura de los dos depósitos 
entre los que opera.
 La eficiencia de cualquier máquina térmica que 
opere entre dos temperaturas especificas nunca 
podrá supercar la eficiencia de una máquina Camot 
que opere entre las mismas dos temperaturas.