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414 Capítulo 20 Termodinámica

La eficiencia de una máquina térmica se define como la razón del trabajo útil realizado por
una máquina respecto al calor suministrado a ésta, y generalmente se expresa como porcentaje
Trabajo de salida
Eficiencia =
Trabajo de entrada

(2 e n t C^s;i
e = -------------- (20.8)
Líent

Por ejemplo, una máquina con una eficiencia de 25% (e = 0.25) podría absorber 800 J,
realizar un trabajo de 200 J y desechar 600 J como calor perdido. Una máquina eficiente a
100% es aquella en la que todo el calor de entrada se convierte en trabajo útil. En este caso,
no se entregaría calor al medio ambiente (Qsa| = 0). Aunque en un proceso de ese tipo se con­
servaría la energía, se viola la segunda ley de la termodinámica. La máquina más eficiente es
la que cede al medio la menor cantidad posible de calor.

Ciclo de Carnot

Todas las máquinas térmicas están sujetas a gran número de dificultades prácticas. La fricción y
la pérdida de calor por la conducción y la radiación impiden que las máquinas reales funcionen
a su eficiencia máxima. Una máquina ideal, libre de ese tipo de problemas, fue sugerida por
Sadi Carnot en 1824. La máquina de Carnot tiene la eficiencia máxima posible tratándose de
una máquina que absorbe calor de una fuente a alta temperatura, realiza trabajo externo y depo­
sita calor en un recipiente a baja temperatura. La eficiencia de una cierta máquina puede deter­
minarse comparándola con la máquina de Carnot al funcionar entre las mismas temperaturas.
El ciclo de Carnot se ilustra en la figura 20.10. Un gas confinado en un cilindro provisto de
un émbolo móvil se pone en contacto con una fuente a alta temperatura T . Una cantidad
de calor <2ent es absorbida por el gas, el cual se dilata isotérmicamente a medida que la presión
disminuye. La primera etapa del ciclo de Carnot se muestra gráficamente por medio de la
curva AS en el diagrama P-V (véase la figura 20.11). Luego, el cilindro se coloca en una base
aislante, donde continúa la expansión adiabática en tanto que la presión disminuye hasta su
nivel más bajo. Esta etapa se representa gráficamente por la curva BC. En la tercera etapa el
cilindro es extraído de la base aislante y colocado sobre una fuente a baja temperatura 71
Una cantidad de calor <2sal es extraída del gas a medida que éste se comprime isotérmicamente
desde el punto C hasta el D en el diagrama P-V. Por último, el cilindro se coloca de nuevo en
la base aislante, donde se comprime adiabáticamente hasta su etapa original a lo largo de la
trayectoria DA. La máquina realiza trabajo externo durante el proceso de expansión y regresa
a su estado inicial durante los procesos de compresión.

Base aislante Depósito frío Base aislante
(a) (b) (c) (d)
Figura 20.11 El ciclo de Carnot: (a) expansión isotérmica, (b) expansión adiabática, (c) compresión
isotérmica y (d) compresión adiabática.