Por Caty Fairclough

Feliz cumpleaños al parisino "padre de la termodinámica", Nicolas Léonard Sadi Carnot. Un talentoso físico e ingeniero que canalizó su interés en los motores de vapor en la creación de un ciclo termodinámico teórico llamado el ciclo de Carnot. A través de esta teoría, Carnot sentó las bases de la segunda ley de la termodinámica, que se refiere a la entropía y la pérdida de calor y sigue siendo relevante en la física y la ingeniería actual.

Alimentando su pasión por los motores

Nicolas Léonard Sadi Carnot nació el 1 de junio de 1796 y ya mostró interés por las matemáticas a temprana edad. Su padre, Lazare Carnot, fue un líder del ejército revolucionario francés y tenía conocimientos de matemáticas e ingeniería que compartió con su hijo. Enseñó al joven Carnot ciencias, arte, lenguaje y música en su casa de París.

Un Carnot de diecisiete años vistiendo el uniforme de la École Polytechnique. (Por Louis-Léopold Boilly. Licenciada bajo dominio público, vía Wikimedia Commons).

Carnot estudió en la prestigiosa École Polytechnique, conocida por sus enseñanzas matemáticas y reputados profesores, entre los que se incluían Claude-Louis Navier y André-Marie Ampère. Durante su corta carrera académica Carnot fomentó un gran interés, de por vida, en resolver problemas de ingeniería. Después de graduarse, trabajó como ingeniero militar en el ejército francés, pero cambió de posiciones al sentirse descontento por la falta de oportunidades. Con el Cuerpo del Personal del General, Carnot fue capaz de dedicarle más tiempo a su interés personal por la ciencia y la ingeniería.

Tras la derrota de Napoleón en 1815, el padre de Carnot fue exiliado por su colaboración en la revolución. A pesar de ello, Lazare Carnot siguió alentando las actividades intelectuales de su hijo. Padre e hijo se mantuvieron en estrecho contacto y solían discutir sobre las máquinas de vapor. Carnot creía que la inferioridad de las máquinas de vapor francesas fue, en parte, responsable de la caída del reinado de Napoleón y por tanto también culpa del exilio de su padre y la pérdida de prestigio de su familia. Estaba muy motivado para aprender más sobre ellas.

El ciclo de Carnot y la termodinámica

Aunque las máquinas de vapor se utilizaron ampliamente en la época de Carnot, no existían teorías científicas sobre cómo funcionaban. Carnot se marcó el objetivo de llenar esta falta de información respondiendo a dos preguntas:

• ¿Existe límite en la cantidad de trabajo que una fuente de calor puede alcanzar?
• ¿Se puede mejorar una máquina de vapor reemplazando el vapor con otro fluido o gas?

Carnot recopiló sus ideas, y en 1824 publicó "Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego", que contiene el famoso ciclo de Carnot. Su ciclo mantiene una alta eficiencia eliminando el estudio de fuerzas reales como la fricción y la conducción del calor entre la partes del motor a temperaturas variables. La eliminación de estos procesos es lo que hace que el ciclo de Carnot sea teórico y no realista.

El ciclo de Carnot funciona a través de la diferencia de temperatura entre dos depósitos. Durante el ciclo, el calor fluye (representado por Q1 y Q2) entre un depósito caliente, T1, y un depósito frío, T2. El motor de Carnot, C, se localizado en el centro de los depósitos. Cuando el calor fluye entre T1 y T2, el motor realiza trabajo, W, en el entorno circundante.

El ciclo de Carnot teórico. (“Esquema del motor de Carnot” por el propio trabajo de Keta. Licenciado bajo Creative Commons Attribution 2.5 Generic vía Wikimedia Commons).

Al crear este motor de vapor teórico, Carnot respondía a sus preguntas. Al analizar la cantidad de trabajo que un motor puede alcanzar, Carnot descubrió que para incrementar la eficiencia, había que reducir la pérdida de calor - específicamente, la pérdida de calor entre las partes del motor a diferentes temperaturas. A diferencia de su motor idealizado, siempre se pierde calor durante un ciclo en un motor real. Por este hecho, nunca puede alcanzarse una eficiencia perfecta fuera de las situaciones teóricas, y existe un límite en la cantidad de trabajo que una fuente de calor puede alcanzar.

Resolvió su pregunta sobre el reemplazo del vapor con otro fluido o gas comparando el aire y el vapor. Decidió que al eficiencia de un motor de calor ideal no dependía de la sustancia, sino de la diferencia de temperatura interna del motor.

Al responder estas preguntas, Carnot proporcionó ideas que más tarde fueron utilizadas en la creación de la segunda ley de termodinámica, que afirma que la entropía en nuestro universo aumenta con el tiempo y que los cambios en la entropía no pueden ser negativos.

Carnot murió durante una epidemia de cólera en 1832. Aunque muchos de sus escritos fueron enterrados con él, el trabajo restante de Carnot todavía contenía muchas nuevas ideas y conceptos. Sus contribuciones a la termodinámica siguen siendo fundamentales para los modernos científicos de hoy en día y le han hecho ser conocido como el "padre de la termodinámica".

El padre de la termodinámica en la era moderna

Las ideas de Carnot todavía son utilizadas para comprender y diseñar motores. Por ejemplo, al observar un motor o bomba de calor Stirling se puede analizar su eficiencia comparándolo con el ciclo de Carnot. Nosotros modelamos con COMSOL Multiphysics los cuatro pasos del ciclo de Carnot experimentados por un motor Stirling en otra entrada del blog de COMSOL. Como era de esperar, la eficiencia del motor modelado ni siquiera se acerca a la del ciclo de Carnot teórico.

Los cuatro pasos del ciclo de Carnot: Procesos termodinámicos en un motor Stirling.

¡El 1 de junio deseamos a Nicolas Léonard Sadi Carnot, el padre de la termodinámica, un feliz cumpleaños!