⚙️ Ciclo de Carnot

Los motores reales (ciclo Otto en motores de gasolina, ciclo Diésel en motores diésel, ciclo Rankine en turbinas de vapor) se desvían de Carnot por varias razones: la combustión es irreversible; la transferencia de calor ocurre a través de diferencias de temperatura finitas; la fricción disipa energía; y el fluido de trabajo no es un gas ideal. Un motor de gasolina moderno alcanza cerca del 35–40% de eficiencia; una central de ciclo combinado con turbina de gas llega a cerca del 60%; el límite de Carnot para una temperatura de combustión de 1200 K y un ambiente de 300 K es del 75%.

La eficiencia aumenta cuando T_H sube o T_C baja. Para una central térmica de vapor con T_H = 600°C (873 K) y T_C = 30°C (303 K), el límite de Carnot es 1 − 303/873 ≈ 65%. Aumentar T_H a 700°C mejora el límite al 70%. En la práctica, las limitaciones de los materiales (resistencia de los álabes de la turbina, presión de las tuberías de vapor) limitan T_H, mientras que el agua de refrigeración o el aire ambiente fijan T_C. Las centrales geotérmicas, con T_H ≈ 150°C, tienen límites de Carnot de solo ~25%.

Rudolf Clausius demostró que para cualquier proceso cíclico, ∮ dQ/T ≤ 0, con igualdad para los ciclos reversibles (Carnot). Esto llevó a la definición de la entropía: dS = dQ_rev/T. Para un proceso irreversible, dS > dQ/T, lo que significa que la entropía del universo siempre aumenta. El ciclo de Carnot es el único ciclo donde ΔS_universo = 0 en cada ciclo completo, razón por la cual alcanza la eficiencia máxima.

Sí: el ciclo de Carnot invertido es el refrigerador o la bomba de calor ideal. Funcionando a la inversa, usa trabajo para transferir calor de T_C a T_H. El coeficiente de rendimiento (COP) como refrigerador es COP_R = T_C/(T_H − T_C), y como bomba de calor es COP_HP = T_H/(T_H − T_C). Una bomba de calor que calienta un edificio (T_H = 20°C, T_C = 0°C) tiene un COP_HP teórico de 293/20 ≈ 14.7, es decir, entrega casi 15 unidades de calor por cada unidad de trabajo eléctrico, muy superior a la calefacción eléctrica directa.

El ciclo de Rankine es el ciclo práctico de potencia de vapor usado en las centrales térmicas. Usa un fluido de trabajo condensable (agua/vapor) y consta de: bomba (presurización adiabática del líquido), caldera (adición de calor isobárica que produce vapor), turbina (expansión adiabática que genera trabajo), y condensador (rechazo de calor isobárico). Los ciclos de Rankine supercríticos modernos operan por encima del punto crítico del agua (374°C, 22 MPa), alcanzando eficiencias térmicas del 45–48%.

La entropía S (en J/K) cuantifica el número de estados microscópicos (microestados) Ω disponibles para un sistema: S = k_B ln Ω (fórmula de Boltzmann). En termodinámica, la entropía mide la "dispersión" de la energía entre microestados; una entropía alta significa que la energía se distribuye entre muchos estados, haciéndola no disponible para realizar trabajo. La segunda ley (la entropía de un sistema aislado nunca disminuye) es un enunciado estadístico: los sistemas evolucionan hacia el macroestado más probable, que es el que tiene más microestados.

El ciclo Otto modela el motor de gasolina ideal con cuatro etapas en un diagrama P-V: compresión adiabática (razón r = V_max/V_min), adición de calor a volumen constante (combustión del combustible), expansión adiabática (carrera de potencia), y rechazo de calor a volumen constante (escape). La eficiencia de Otto es η = 1 − r^(1−γ). Para una razón de compresión de 10:1 y γ = 1.4, η ≈ 60% —pero los motores reales solo alcanzan el 35% debido a pérdidas de calor, combustión incompleta y fricción. Razones de compresión más altas mejoran la eficiencia pero arriesgan el picado (encendido prematuro).