Motor Térmico de Carnot

El Motor Térmico de Carnot da vida a la termodinámica clásica combinando un conjunto animado en 3D de pistón, cilindro y volante de inercia con un diagrama 3D sincronizado de Presión-Volumen (P-V). Los estudiantes pueden arrastrar la cabeza del pistón para recorrer el ciclo o hacer clic en cualquiera de los cuatro estados de las esquinas: Expansión isotérmica en contacto con el foco caliente T_H, Expansión adiabática hasta T_C, Compresión isotérmica en contacto con el foco frío T_C y Compresión adiabática de regreso a T_H. Las moléculas de gas aceleran y desaceleran con la temperatura mientras los indicadores en vivo muestran la eficiencia de Carnot eta = 1 - T_C / T_H, la temperatura del gas, la presión y el trabajo neto por ciclo.

• Haz clic en cada uno de los cuatro nodos de las esquinas del ciclo P-V para avanzar por la Expansión isotérmica, la Expansión adiabática, la Compresión isotérmica y la Compresión adiabática.
• Aumenta el Foco caliente T_H de 500 K a 900 K manteniendo T_C en 300 K, y observa cómo crecen el área encerrada del ciclo P-V y la eficiencia de Carnot eta.
• Reduce el Foco frío T_C de 400 K a 200 K y verifica que enfriar el sumidero de escape aumenta la eficiencia de manera aún más efectiva que elevar T_H en la misma cantidad.
• Arrastra manualmente la cabeza del pistón hacia arriba y hacia abajo y observa cómo el puente térmico bajo el cilindro cambia entre T_H, aislado y T_C.
• Aumenta la Relación de expansión isotérmica y observa que el Trabajo neto por ciclo aumenta mientras que el porcentaje teórico de eficiencia de Carnot permanece sin cambios.

1. 1Identificar los cuatro procesos reversibles que componen el ciclo del motor térmico de Carnot en un diagrama P-V.
2. 2Calcular la eficiencia teórica máxima de cualquier motor térmico utilizando eta = 1 - T_C / T_H.
3. 3Distinguir entre etapas isotérmicas (temperatura constante, transferencia de calor) y etapas adiabáticas (aisladas, la temperatura cambia mediante trabajo).
4. 4Explicar por qué el área encerrada dentro del ciclo P-V representa el trabajo mecánico neto producido por ciclo.

Preguntas frecuentes de los docentes