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
Enlace Original
Tomado de: http://www.cienciakanija.com/2010/05/20/el-limite-de-carnot/
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