El ciclo de Carnot: el motor más eficiente
Si ningún motor puede ser perfecto, ¿cuál es el mejor posible? La respuesta de Carnot es un ciclo de dos etapas isotermas y dos adiabáticas cuya eficiencia depende solo de las dos temperaturas (η = 1 - TCTH). Ningún motor real entre los mismos focos puede superarlo.
Arrastra la fase para recorrer una vuelta del lazo. Las dos etapas isotermas intercambian calor a temperatura fija; las dos adiabáticas cambian la temperatura sin intercambiar calor. Las cuatro etapas deben recorrerse de forma cuasiestática para que el gas permanezca cerca del equilibrio, y por eso un motor real que gira a velocidad finita, con fricción y saltos de temperatura, nunca alcanza del todo este viaje ideal.
Arrastra las dos temperaturas (en kelvin). La eficiencia de Carnot η = 1 - TCTH depende solo de su cociente, nunca de cuál sea la sustancia de trabajo. Por ejemplo, una central movida por vapor a 800 K que vierte calor a un ambiente de 300 K tiene un techo cercano al 60 por ciento, y como el lado frío nunca puede llevarse al cero absoluto, la eficiencia del 100 por ciento queda para siempre fuera de alcance.
Detrás de esa fórmula hay una igualdad fija: en un ciclo reversible QCQH = TCTH, así que QHTH = QCTC. Esta igualdad dice que en un ciclo reversible el calor se intercambia en proporción exacta a la temperatura, de modo que el cociente Q/T se conserva, y es justo ese cociente lo que el próximo capítulo llama entropía. Arrastra el cociente y las dos barras siguen iguales.
Carnot fija un techo. Un motor real queda debajo; nada puede quedar encima. Si algún motor pudiera superar este techo, podrías acoplarlo con un Carnot invertido para trasladar calor de frío a caliente sin trabajo alguno, una máquina de movimiento perpetuo que rompe la segunda ley, y esa imposibilidad es justo lo que fija el techo. Alterna el real, el de Carnot y el caso imposible por encima del techo.
Llévate tres ideas: la eficiencia depende solo de TCTH, es el techo invencible, y la igualdad QHTH = QCTC es la semilla del próximo capítulo: la entropía. Por eso en la práctica se sube TH tanto como se pueda para elevar el techo, y esa es justamente la razón por la que los motores a reacción y las centrales llevan sus temperaturas de combustión tan alto como los materiales lo permiten.