El límite de Carnot

Leonard CarnotMucho antes de que se comprendiese la naturaleza del calor , se determinó el límite  fundamental de la eficiencia de los motores basados en el uso del calor.

Cada vez que los ingenieros tratan de diseñar un nuevo tipo de motor basado en el uso del calor o mejorar un diseo ya existente, se topan con un límite fundamental a su eficiencia: el límite de Carnot.

El límite de Carnot “establece un límite absoluto en la eficiencia con la que el calor puede ser transformado en trabajo útil”, dice Robert Jaffe (profesor Jane y Otto Morningstar del Instituto Tecnológico de Massachusets ), quien enseña un curso de física de la energía.  Si los ingenieros se encuentran con el rediseño de un motor que ya es un 35 % eficiente, es muy diferente a si su eficiencia máxima posible es del 50 % – en cuyo caso puede que no sea posible mejorarla – u 80 %, en cuyo caso hay un margen significativo para la mejora.

Nicolas Léonard Sadi Carnot, que nació en Francia en 1796 y vivió sólo 36 años, dedujo este límite. Sus percepciones de la naturaleza del calor, y las limitaciones de las máquinas que usan calor, tuvieron un impacto que dura hasta hoy en día. Lo que hace más notables sus logros es el hecho de que la naturaleza misma del calor no se entendió hasta mucho más tarde de la muerte de Carnot. En la época en la que investigaba, los científicos todavía aceptaban la teoría posteriormente descartada del “calórico”, que sostenía que un fluido invisible llamado “calórico” llevaba el calor de un objeto a otro.

El libro de Carnot de 1824, “Reflexiones sobre el poder de movimiento del fuego” dejó un conjunto de principios, que en algunos casos, todavía son ampliamente usados. Uno de estos es el límite de Carnot (también conocido como eficiencia de Carnot), que viene dado por una simple ecuación: la diferencia en temperatura entre el fluido caliente que hace trabajo – como el vapor en una estación de energía – y su temperatura cuando deja el motor, dividido por la temperatura en Kelvin (a saber, los grados por encima del cero absoluto) del fluido caliente. Esta eficiencia teórica se expresa como un porcentaje, que puede ser aproximado pero nunca alcanzado en la realidad.

En la época del trabajo de Carnot, los mejores motores de vapor en el mundo tenían una eficiencia global de sólo un 3 % aproximadamente. Hoy, los motores de vapor convencionales pueden alcanzar eficiencias de un 25 %, y las turbinas de vapor de los generadores accionadas por gas caliente que hay en las plantas de energía pueden alcanzar el 40 % o más – comparado con el límite de Carnot, dependiendo de las diferencias de calor exactas en tales plantas, en torno a un 51 %. Los motores de los coches actuales tienen eficiencias de un 20 % o menos, comparado con su límite de Carnot de un 37 %.

Como el límite en la eficiencia está basado en la diferencia de temperaturas entre la fuente de calor y lo que se utilice para enfriar el sistema – normalmente aire o un agua – está claro que cuanto más caliente esté la fuente, mayor será la eficiencia posible. Así, por ejemplo, Jaffe explica, “un reactor nuclear de cuarta generación que calienta vapor a 1200 grados celsius (ºC) usa una cantidad de energía dada mucho más eficiente que una fuente de energía geotérmica que emplea vapor a 120 grados celsius (ºC)”.


Autor: David L. Chandler
Fecha Original: 19 de mayo de 2010
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Comments (8)

  1. Ishkar

    ¿No sería que nació en 1776? Lo digo porque sino, para publicar un libro en 1824 lo hubiera tenido difícil…

    :P

  2. Oscar

    Si nació en 1796, lo publicó con la edad de 28 años. ¿Por qué difícil?

  3. Industrial

    En realidad es el ciclo el que tiene un rendimiento del 40%, la máquina térmica TURBINA tiene unos rendimientos cercanos a la unidad. Cierto es que normalmente por turbina de gas se entiende el ciclo entero.

  4. La deduccion del rendimiento de carnot, el rendimiento maximo de cualquier maquina termica, es una cosa realmente astuta; se trataba pues simplemente de definir un ciclo reversible y hallar su rendimiento.

  5. Jurl

    El que la inmensa mayoría del público desconozca algo tan elemental para el debate energético como los ciclos de Carnot sólo pone en evidencia que no hay debate en absoluto…

    • Ozzybulla

      O que mas que debate es un enfrentamiento entre posturas de corte mas bien “religioso”; por lo que la defensa de la eficiencia energética parte perdiendo

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