¿Por qué un motor real no alcanza la eficiencia de Carnot?

El ciclo de Carnot supone procesos reversibles, sin fricción, y termostatos ideales. En una máquina real hay fricción, un salto finito de temperatura al intercambiar calor y pérdidas: generan entropía y bajan la eficiencia por debajo del límite de Carnot.

¿Depende la eficiencia de Carnot de la sustancia de trabajo?

No. La fórmula η = 1 − T_C/T_H no lleva propiedades del gas ni del vapor: el límite lo fijan solo las temperaturas del reservorio caliente y del frío. La sustancia cambia la forma del contorno y el trabajo por ciclo a los mismos T y V, pero no esta eficiencia teórica.

¿Qué significa el área del ciclo en el diagrama p–V?

Es el trabajo de una vuelta. El recorrido horario es un motor: el trabajo es positivo. Subir T_H − T_C o estirar el intervalo de volumen agranda el área.

¿Puede la eficiencia de Carnot ser del 100 %?

Solo si T_C = 0 K, lo que no se puede alcanzar. La segunda ley prohíbe una máquina térmica que convierta todo el calor en trabajo sin ceder calor al foco frío (móvil perpetuo de segunda especie).

Ciclo de Carnot

Animación del ciclo en el diagrama p–V: dos isotermas y dos adiabáticas; eficiencia η = 1 − T_C/T_H.

Sobre el modelo

El ciclo de Carnot es el ciclo reversible de una máquina térmica entre dos termostatos T_H y T_C: expansión isotérmica, expansión adiabática, compresión isotérmica, compresión adiabática. La eficiencia η = 1 − T_C/T_H depende solo de las temperaturas de los reservorios (escala kelvin), no de la sustancia de trabajo. El área del contorno en el diagrama p–V es el trabajo por ciclo. La sustancia es un gas ideal, PV = nRT; las adiabáticas cumplen PV^γ = const. Los procesos son cuasiestáticos, no hay fricción: es el tope de eficiencia de cualquier máquina entre los mismos reservorios, no el dibujo de un motor real. Se varían T_H, T_C y los extremos de volumen.

Para quién: Bachillerato y física general: máquinas térmicas, segunda ley, ciclo de Carnot.

Conceptos clave

ciclo de Carnot
eficiencia térmica
diagrama p–V
proceso isotérmico
proceso adiabático
proceso reversible
máquina térmica
segunda ley de la termodinámica

Cómo funciona

Ciclo de Carnot reversible para un gas ideal con nR = 1 en unidades del modelo: 1→2 expansión isotérmica a T_H, 2→3 expansión adiabática, 3→4 compresión isotérmica a T_C, 4→1 compresión adiabática. Las adiabáticas cumplen PV^γ = const (γ = 1,4). El área interior del lazo es el trabajo útil; la eficiencia de Carnot η = 1 − T_C/T_H es el tope para esos reservorios. Las cifras son de ejemplo.

Fórmulas principales

η = 1 − T_C / T_H · Q_H = nRT_H ln(V₂/V₁) (isoterma)

Adiabática: P V^γ = const · T V^(γ−1) = const

Preguntas frecuentes

¿Por qué un motor real no alcanza la eficiencia de Carnot?: El ciclo de Carnot supone procesos reversibles, sin fricción, y termostatos ideales. En una máquina real hay fricción, un salto finito de temperatura al intercambiar calor y pérdidas: generan entropía y bajan la eficiencia por debajo del límite de Carnot.
¿Depende la eficiencia de Carnot de la sustancia de trabajo?: No. La fórmula η = 1 − T_C/T_H no lleva propiedades del gas ni del vapor: el límite lo fijan solo las temperaturas del reservorio caliente y del frío. La sustancia cambia la forma del contorno y el trabajo por ciclo a los mismos T y V, pero no esta eficiencia teórica.
¿Qué significa el área del ciclo en el diagrama p–V?: Es el trabajo de una vuelta. El recorrido horario es un motor: el trabajo es positivo. Subir T_H − T_C o estirar el intervalo de volumen agranda el área.
¿Puede la eficiencia de Carnot ser del 100 %?: Solo si T_C = 0 K, lo que no se puede alcanzar. La segunda ley prohíbe una máquina térmica que convierta todo el calor en trabajo sin ceder calor al foco frío (móvil perpetuo de segunda especie).

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