1r ciclo Ciclo de Carnot: duda sobre expansión y compresión isotérmicas

[Juanlu001]

He estado toda la mañana buscando información, animaciones y vídeos sobre el ciclo de Carnot, y todavía no he sido capaz de resolver una duda.

El ciclo de Carnot consta de 4 etapas:

1. Expansión isotérmica
2. Expansión adiabática
3. Compresión isotérmica
4. Compresión adiabática

Y vuelta a empezar.



Concretamente, la fase de expansión isotérmica parte de una situación en la que el gas ideal dentro del cilindro se encuentra a una temperatura $T_1 < T_2$. La expansión comienza cuando el cilindro (que tiene paredes diatérmicas) se recubre con un baño a temperatura $T_1$.

De la Wikipedia:

Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante.

Esto es lo que no entiendo. ¿Cómo rayos el gas absorbe calor del foco, si tanto el gas como el foco están a la misma temperatura?

Ojalá alguien pueda aclararme esta duda, muchas gracias de antemano!

[Dj_jara]

Re: Ciclo de Carnot: duda sobre expansión y compresión isotérmicas

Esto es lo que no entiendo. ¿Cómo rayos el gas absorbe calor del foco, si tanto el gas como el foco están a la misma temperatura?

Piensa que es un ciclo reversible, con lo que el proceso evoluciona de forma cuasiestacionaria. Imagina que se expande un poco, entonces su temperatura disminuiría, pero como esta en contacto con un foco que tiene mayor temperatura tienen que llegar al equilibrio (y como el foco vamos a suponer que no tiene problemas en mantener su temperatura) el sistema obtendrá otra vez temperatura T1, ahora se vuelve a expandir un poco.....

Ahora que así lo has visualizado haz el límite para expansiones cada vez más pequeñas. Espero que se me haya entendido.

[Juanlu001]

Re: Ciclo de Carnot: duda sobre expansión y compresión isotérmicas

De acuerdo, pero en ese caso ¿tendríamos que ser nosotros quienes fuéramos sacando el émbolo? Y si es así, entonces ¿cómo es que la máquina realiza trabajo?

Y por cierto, según lo que dices, ¿el ciclo de una máquina de Carnot tardaría un tiempo infinito en completarse?

[Dj_jara]

Re: Ciclo de Carnot: duda sobre expansión y compresión isotérmicas

De acuerdo, pero en ese caso ¿tendríamos que ser nosotros quienes fuéramos sacando el émbolo? Y si es así, entonces ¿cómo es que la máquina realiza trabajo?

El trabajo lo realiza el gas que es el que se expande, piensa por ejemplo en un gas ideal tu tienes que pV=nRT, así que el gas se puede expandir bajando la temperatura (lo cuál tiene lógica ya que para expandirse esta haciendo un trabajo sobre el medio), pero a la vez que se va expandiendo el foco le va dando Calor al gas, con lo que obtienes que el gas se expande, pero no baja la temperatura.

Y por cierto, según lo que dices, ¿el ciclo de una máquina de Carnot tardaría un tiempo infinito en completarse?

No, naturalmente cuanto más pequeña es la expansión, menos tiempo tarda en igualarse las temperaturas, con lo que si haces el límite, si se expande un dV tarda un dt en asolir la temperatura. Eso que tu planteas es lo mismo que lo de la Paradoja de Zenon (Que si la conoces, supongo que con esa pista ya lo tendrás más claro)

[Juanlu001]

Re: Ciclo de Carnot: duda sobre expansión y compresión isotérmicas

Creo que ya estoy llegando a la idea (y gracias por aclarar lo del tiempo infinito) pero creo que me queda una última pregunta: ¿qué es lo que hace que el gas se expanda?

[Dj_jara]

Re: Ciclo de Carnot: duda sobre expansión y compresión isotérmicas

Creo que ya estoy llegando a la idea (y gracias por aclarar lo del tiempo infinito) pero creo que me queda una última pregunta: ¿qué es lo que hace que el gas se expanda?

Me da que eso ya no es tanto del ciclo de Carnot es un ciclo con 2 adiabáticas y 2 isotermas, el aparato instrumental para conseguirlo no se tiene en cuenta al decirlo y realmente no tengo ni idea de lo que gastaría Carnot en su día para hacerlo, pero conseguir que se expanda un gas no es difícil, por ejemplo si se comprime un embolo y se suelta el gas se expande ya que su presión es mayor que la atmosférica (aunque ese caso no sería un proceso cuasiestacionario), pero vamos se puede ir poniendo elementos para impedir que la expansión se haga de forma brusca sino de una forma controlada, pero de esos temas seguro que sabe más algún ingeniero.

[Saplaya]

Re: Ciclo de Carnot: duda sobre expansión y compresión isotérmicas

Si por ejemplo la máquina va unida a un vehiculo a través de un sistema biela manivela, la presión interna del gas produce la expansión debido a que la resistencia que opone el vehiculo genera en el pistón (externamente) una presión menor. Este trabajo es transmitido al vehiculo, convirtiéndolo en energía cinética. Debido a la presencia del sistema biela manivela, la inercia del vehiculo obliga a la máquina a su compresión durante la segunda mitad del ciclo, obteniendo el trabajo de la energía cinética del vehiculo. Como en el proceso se realiza un aporte neto de calor, el balance entre trabajo aportado al vehiculo y tomado de él es positivo al final del ciclo.

Saludos

[Juanlu001]

Re: Ciclo de Carnot: duda sobre expansión y compresión isotérmicas

Aaaaaaaaaaah claro! Se expande por la diferencia de presiones, cómo no lo había advertido antes!!

Muchísimas gracias, ya todas las piezas me encajan a la perfección

No tiene que ver con la duda original, pero ahora quisiera plantear otra cuestión (si alguien lo cree oportuno abro otro hilo). En mi libro pone que la máquina de Carnot tiene potencia nula. ¿Por qué sucede esto?