El ciclo de Carnot
Comprendo
⏱ 12 minUna máquina térmica toma calor de un foco caliente, convierte una parte en trabajo y entrega el resto a un foco frío. Así funcionan el motor de un carro, una termoeléctrica o el antiguo tren a carbón.
En 1824, Sadi Carnot imaginó la máquina más eficiente posible: un gas que recorre cuatro procesos sin pérdidas. Ninguna máquina real lo supera; por eso el ciclo de Carnot es la referencia para todas.
W = Q₁ − Q₂e = 1 − T₂ / T₁T₁ y T₂ en kelvin
Así se resuelve
⏱ 12 min- Identifico los focos: T₁ = 500 K (caliente) y T₂ = 300 K (frío). Ya están en kelvin.
- Uso la eficiencia de Carnot: e = 1 − T₂/T₁ = 1 − 300/500.
- Calculo: 300/500 = 0,6, entonces e = 1 − 0,6 = 0,4.
- Interpreto: de cada 100 J de calor que recibe, como máximo 40 J se convierten en trabajo.
- Paso a kelvin: T₁ = 327 + 273 = 600 K y T₂ = 27 + 273 = 300 K.
- Eficiencia máxima: e = 1 − 300/600 = 0,5.
- Trabajo máximo: W = e · Q₁ = 0,5 × 2.000 kJ = 1.000 kJ.
- Calor que va al condensador: Q₂ = Q₁ − W = 1.000 kJ. Por eso las termoeléctricas necesitan tanta agua para enfriar.
Lo veo en movimiento
⏱ 10 minDale reproducir y observa a la vez el pistón (izquierda) y el punto que recorre el diagrama P–V (derecha). Fíjate en qué etapas entra o sale calor y en cuáles el gas está aislado.
Las cuatro etapas del ciclo de Carnot
Observa: ¿En qué etapas baja la temperatura del gas si no sale calor? ¿Qué representa el área encerrada por el ciclo?
¿De qué depende la eficiencia?
- e = 1 − T₂/T₁
Observa: Mueve T₁. ¿Qué pasa con la eficiencia si el foco caliente está más caliente? ¿Y si T₂ se acerca a T₁?
Completo la idea
⏱ 6 minArrastra cada palabra a su lugar. Sobran palabras.
Arrastra cada palabra a su lugar.
El ciclo de Carnot tiene dos procesos y dos procesos .
En un proceso adiabático el gas no intercambia con el exterior.
El trabajo neto del ciclo es el encerrada en el diagrama P–V.
Para calcular la eficiencia las temperaturas deben estar en .
Ninguna máquina térmica convierte el calor en trabajo: siempre entrega una parte al foco frío.
Practico
⏱ 8 minResponde y recibe ayuda al instante: si te equivocas, verás una pista para intentarlo otra vez.
1Una máquina de Carnot trabaja entre 800 K y 400 K. ¿Cuál es su eficiencia (en decimal)?Básico
2¿En qué etapa el gas recibe calor del foco caliente?Básico
3En la expansión adiabática la temperatura del gas se mantiene constante.Intermedio
4Una máquina de Carnot recibe 1.200 J del foco caliente a 600 K y entrega calor a 450 K. ¿Cuánto trabajo produce (en J)?Avanzado
J
Me evalúo
⏱ 7 minResponde todas las preguntas sin mirar la guía. Al final verás tu resultado y la explicación de cada una.
1¿Cuál es el orden correcto de las etapas del ciclo de Carnot?
2Un motor ideal trabaja entre 227 °C y 27 °C. ¿Cuál es su eficiencia máxima en decimal?
3Si T₂ se acerca a T₁, la eficiencia de la máquina aumenta.
4En el diagrama P–V, ¿qué representa el área encerrada por el ciclo?
5Una máquina de Carnot con eficiencia 0,3 entrega 700 J al foco frío en cada ciclo. ¿Cuánto calor recibe del foco caliente (en J)?
J
Clave de respuestas · para el docente
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- Completo la idea · completar: (1) isotérmicos (2) adiabáticos (3) calor (4) área (5) kelvin (6) todo
- Practico · práctica 1: 0,5 — e = 1 − 400/800 = 1 − 0,5 = 0,5.
- Practico · práctica 2: A. Expansión isotérmica (1 → 2) — Solo en la expansión isotérmica el gas está en contacto con el foco caliente y absorbe Q₁.
- Practico · práctica 3: Falso — Es falso: el gas hace trabajo con su propia energía interna, por eso se enfría.
- Practico · práctica 4: 300 J — e = 1 − 450/600 = 0,25; W = 0,25 × 1.200 J = 300 J.
- Me evalúo · evaluación 1: A. Isotérmica, adiabática, isotérmica, adiabática — Las etapas se alternan: expansión isotérmica, expansión adiabática, compresión isotérmica y compresión adiabática.
- Me evalúo · evaluación 2: 0,4 — T₁ = 500 K y T₂ = 300 K; e = 1 − 300/500 = 0,4.
- Me evalúo · evaluación 3: Falso — Si T₂/T₁ se acerca a 1, e = 1 − T₂/T₁ se acerca a 0: la máquina casi no produce trabajo.
- Me evalúo · evaluación 4: B. El trabajo neto — El área encerrada por el ciclo es el trabajo neto W = Q₁ − Q₂.
- Me evalúo · evaluación 5: 1000 J — Q₂ = (1 − e)·Q₁, entonces Q₁ = 700 / 0,7 = 1.000 J.