La Potencia de las maquinas térmicas

U n i v e r s i d a d A u t ó n o m a

M e t r o p o l i t a n a

U n i d a d I z t a p a l a p a

T e m a s s e l e c t o s d e f í s i c a

2 1 1 0 0 1 6 C A 0 4

Josué Maldonado C.

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La potencia de las maquinas térmicas

Josué Maldonado Crisóstomo

Nincolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832). Pionero en la termodinámica. Nació el 1 de junio

de 1796. Recibió su nombre en honor a un poeta persa. Miembro de una prestigiada familia francesa con

altos antecedentes culturales, hijo de Lazare Nicolas Marguerite Carnot (1753-1823), quien fue un

militar distinguido miembro de la “junta”, comandante de un ejército de Napoleón y un importante

político, aunque abandono la política después de la caída de Napoleón para dedicarse a la educación de

sus hijos. También era un importante científico, con intereses en la física, las matemáticas, la geometría,

escritor de libros relacionados a la ciencia y al militarismo, aun así humilde, virtud que trasmitió a sus

hijos, Sadi, en alguno de sus papeles que sobrevivieron cita: “hablar poco de lo que se conoce y nada en

absoluto de lo que no se conoce”. Sadi tuvo un hermano, Lazare Hippolyte Carnot, quien llego a ser

presidente de Francia, fue el biógrafo de Sadi. Lazare tuvo un hijo al que le puso el mismo nombre de su

hermano: Sadi Carnot, también fue presidente de Francia.

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En 1812 ingreso en la École Politechnique, una de las más celebres escuelas de ingeniería en

Francia, fundada en colaboración con su padre, en 1794. Dos años más tarde tuvo que abandonarla y

pasar a la École Genie de Metz. Tuvo una educación científico-militar.

En 1824 publico su único libro “reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las

maquinas destinadas a desarrollar esta potencia”

Muere el 24 de agosto de 1832 a la edad de 36 años, víctima de la epidemia de cólera que azoto a

Francia ese mismo año. Lamentablemente la mayoría de sus escritos fueron quemados, junto con sus

pertenencias, tal y como marcaba la costumbre de aquella época con el fin de evitar la propagación del

virus. Tan solo se salvaron unas cuantas notas entre las que destacan sus reflexiones.

“Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las maquinas adecuadas para

desarrollar esta potencia”:

Es un pequeño libro de unas 60 páginas. Escrito en 1809, pero publicado hasta 1824. En el inicia

con la frase: "Todo el mundo sabe que el calor puede producir movimiento". Su intención fue tan solo la

de llamar la atención del público sobre la importancia de las máquinas de vapor, debido a que, pese a su

importancia industrial de aquella época y que su trabajo era fuente de un inmenso poder económico,

desperdiciaban mucho combustible, la respuesta que buscaba era el máximo alcance de calor que

pudiera ser convertida en trabajo. Apenas tenia unas cuantas demostraciones matemáticas, en notas al

píe de paguina. Su obra no fue bien recibida por la comunidad científica de su época, pues se basaban en

resultados de la vida práctica, incluso el mismo Sadi llego a dudar de sus teorías.

Tal vez el punto más importante en esta obra es el descubrimiento del segundo principio de la

termodinámica, que implica que para transferir calor de un cuerpo con poca temperatura a uno más

caliente es necesaria realizar cierto trabajo. En esta obra analizo la importancia industrial, política y

económica de la máquina de vapor. Sadi describió el ciclo energético de una máquina idealizada, cuyo

rendimiento depende únicamente de las temperaturas inicial y final de la sustancia que impulsa a la

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máquina. Demostró que la potencia de la máquina de vapor seria mayor cuanto sea mayor su

temperatura con respecto a la temperatura del ambiente. Consiguió determinar el porcentaje de calor que

utiliza la máquina para convertirlo en trabajo.

En este libro, habla del calor como fuerza de los grandes movimientos que se producen en la

tierra. “el rendimiento de las mejores y más potentes máquinas de vapor es insignificante comparado con

los enormes efectos que causa el calor en el mundo natural”. Piensa que sin diferencia de temperatura es

imposible engendrar “potencia motriz” (expresión utilizada por los físicos de los siglos XVIII y XIX

para referirse a la facultad de suministrar energía mecánica). Define un motor perfecto y su ciclo ideal

de funcionamiento. Busca un método en el cual no haya desperdicio de calor. Reduce un motor térmico

a sus elementos esenciales: un cilindro, un pistón, un cuerpo caliente y otro frio. Describe que el proceso

de generar potencia mecánica a partir del calor es reversible, generando así un frigorífico, se puede

generar trabajo a partir de ceder calor del cuerpo caliente al cuerpo frio, pero también es posible

absorber calor de la fuente fría y cederlo hacia la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la

máquina. Muestras que todo gas que dilata o comprime de una presión y de un volumen a otra presión y

a otro volumen a temperatura constante, pueden absorber o bien desprender la misma cantidad de calor.

Finalmente muestra la superioridad de los motores de alta presión comparados con los de baja presión.

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Ciclo de Carnot:

Carnot describe que una máquina de calor ideal absorbe calor de un depósito de alta temperatura

constante y lo despide hacia otro con temperatura más baja, idealmente esto es isotérmico (cambio de

temperatura reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio de temperatura constante,

necesita de un cuerpo que le ayude a mantener su temperatura mediante el contacto térmico), Carnot

descubrió que esos procesos son adiabáticos (proceso en el que la temperatura está aislada de cualquier

cuerpo que la altere. El trabajo lo realiza con su propia energía), evitando el flujo inútil de calor y la

pérdida del mismo. El ciclo de Carnot ideal consiste en dos isotermas y dos adiabatas, generando un

ciclo que consta, en este orden, de una expansión isotérmica, a una expansión adiabática, a una

compresión isotérmica, a una compresión adiabática.

a) Expansión isotérmica. (C,D) Es la parte del proceso en donde partimos de un gas que ocupa

cierto volumen y se encuentra a una temperatura alta, la presión también es alta. Se acerca el

cuerpo caliente (fuente de calor) al cilindro y se mantienen en contacto mientras que el gas se va

expandiendo por acción de la presión, al expandirse perdería calor, pero no es así debido a que

absorbe calor de nuestra fuente de calor. manteniendo su temperatura. El volumen del gas

aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón. Con esto se mantiene una temperatura

constante, no cambia su energía interna y convierte en trabajo todo el calor absorbido de la

fuente.

b) Expansión adiabática. (D,A) Inmediatamente a la conclusión de la expansión isotérmica se

aísla al cuerpo de cualquier fuente de calor y se le permite alcanzar la temperatura del cuerpo frío

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(fuente fría), debido a su presión, es el momento en el que el gas alcanza su máximo volumen.

En esta fase del proceso todo el trabajo realizado por el gas proviene de su propia energía.

c) Compresión isotérmica. (A,B) Se acerca la fuente fría al cilindro hasta el contacto directo. Se

empieza a comprimir el gas debido al contacto con el cuerpo frío, su temperatura debería de

aumentar, pero no lo hace gracias a que la fuente fría que absorbe este calor. En esta fase se hace

trabajo sobre del gas y se mantiene constante la temperatura del gas, su energía interna no

cambia y nuestra fuente fría absorbe ese trabajo en forma de calor.

d) Compresión adiabática. (B,C) Se retira el cuerpo frío en el momento indicado para que

aumente la temperatura del gas hasta alcanzar la de la fuente de calor y el gas alcanza su

volumen mínimo. Con este unltimo proceso alcanzamos la temperatura, precion y volumen, con

el que inicia la expansión isotérmica, idealizando el ciclo. Con esto se realiza un trabajo que se

convierte en energía interna del gas.

Lamentablemente murió antes de que le pudieran reconocer su trabajo en vida. Para cuando su libro

fue traducido por primera vez al inglés en 1880, no revelo nada que no se hubiese descubierto para

entonces. Los primeros trabajo que hacían referencia al a obra de Carnot empezaron a aparecer tan solo

dos años después de su muerte (algo muy lamentable, pero común en el mundo científico), Émile

Clapeyron fue autor de "Journal de l´Ecole Polytechnique" y "Memoir sur la puissance motrice de la

chaleur" que fueron publicadas en 1834, en los cuales fue rescatada del anonimato la obra de Carnot,

desarrollando y exponiendo de manera gráfica la obra de Sadi.

Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego también es reconocida, en gran parte, gracias a su

hermano Hippolyte, quien se dedicó a escribir su biografía, publicada en el año de 1876, en donde

fueron incluidas algunas de las notas del libro. También cabe mencionar que dentro de los apuntes de

Carnot fueron descritos experimentos similares a los realizados por Joule, con los que demostró el

equivalente mecánico del calor. Es claro que aun cuando Carnot no hubiese escrito este trabajo, no paso

mucho tiempo antes de que alguien más hiciese estos estudios. Es conocido como el padre de la

termodinamica, gracias a ser el primero, de quien tenemos conocimiento, en haber estudiado la relaciona

entre trabajo y calor.

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Bibliografías:

1. http://www.netsaber.com.br/biografias/ver_biografia_c_4258.html

2. Eduardo Cárdenas: http://pdf.rincondelvago.com/reflexiones-sobre-la-potencia-motriz-del-

fuego_sadi-carnot_1.html

3. Angela Quintero Torres:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001762/contenidos/articulo.htm

4. Bases de la física medio ambiental, Francisco Jaque Rechea, (Pg. 81-85):

http://books.google.com.mx/books?id=WkS9w4aByPEC&lpg=PP1&dq=bases%20de%20la%20

fisica%20medioambiental&pg=PP1#v=onepage&q&f=true

5. La frontera del fío, Manuel Zamora (pg 165-167):

http://books.google.com.mx/books?id=4cjKedkiR8YC&lpg=PP1&dq=la%20frontera%20del%2

0frio&pg=PP1#v=onepage&q&f=false

6. http://www.march.es/arte/madrid/anteriores/figuras/pdf/francia.pdf

7. Historia de la tecnología: Siglo veintiuno. Desde 1750 hasta 1900 (I), T.K. Derry (cap 11):

http://books.google.com.mx/books?id=K4XD-b-y-

aoC&lpg=PA387&dq=historia%20de%20la%20tecnologia&pg=PA387#v=onepage&q&f=false

8. http://www.biografica.info/biografia-de-carnot-nicolas-leonard-sadi-449

9. José Simeón Cañas: http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m200027/Unidad%201.pdf

10. Física, Wilson, 433-436:

http://books.google.com.mx/books?id=KFEvYPsc5IMC&printsec=frontcover&dq=inauthor:%2

2Jerry+D.+Wilson%22&hl=es&ei=b8TJTOekJJKqsAOr9LiJDw&sa=X&oi=book_result&ct=res

ult&resnum=1&ved=0CC0Q6AEwAA#v=onepage&q&f=false

11. Física con ordenador, Ángel Franco García:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm

12. José Luis Abreu León:

http://recursostic.educacion.es/newton/web/Documentacion_4D/fisica/calor/CicloDeCarnot.htm

13. http://html.rincondelvago.com/principios-de-termodinamica.html

14. Ricardo Santiago Netto: http://www.fisicanet.com.ar/biografias/cientificos/c/clapeyron.php