Voto por el teorema de Carnot sobre la eficiencia de los motores térmicos:
[matemáticas] W \ leq Q _ {\ rm H} \ left (1 – \ frac {T _ {\ rm C}} {T _ {\ rm H}} \ right), [/ math]
donde W es la salida de trabajo del motor, [matemática] Q _ {\ rm H} [/ matemática] es la cantidad de calor que absorbe de un depósito a temperatura [matemática] T _ {\ rm H} [/ matemática], y [ matemática] Q _ {\ rm C} = Q _ {\ rm H} – W [/ math] es la cantidad de calor que rechaza en un depósito a una temperatura [matemática] T _ {\ rm C} [/ math].
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Diagrama del motor térmico . Fuente: Wikimedia
Este es un resultado completamente general, que se aplica tanto a una máquina de vapor como a un reactor nuclear. La idea detrás de esto se debe a un ingeniero militar francés, Sadi Carnot (1796-1832), quien publicó un solo trabajo científico a la edad de 27 años y murió de cólera, desconocido y sin recompensa, a la edad de 36.
Sadi Carnot como cadete en la École Polytechnique . Pintura al óleo de Louis-Léopold Boilly, 1813
El trabajo de Carnot se basó en una idea que se remonta a Leonardo da Vinci en el siglo XV: que se pueden deducir leyes dinámicas generales a partir del supuesto, justificado por la experiencia, de que el movimiento perpetuo no es posible. (Véase también mi respuesta a ¿Cuáles fueron las contribuciones más importantes de Leonardo Da Vinci a los entendimientos científicos?)
Cuando Carnot escribió su ensayo, la naturaleza física del calor era totalmente desconocida. Al igual que otros antes que él, Carnot pensó que podría ser un fluido “calórico” que pasa de un cuerpo más caliente a uno más frío (al igual que el agua, bajo la acción de la gravedad, cae de una elevación más alta a una más baja). Su argumento fue que debería ser absolutamente imposible mantener el movimiento cíclico de un motor térmico mediante un proceso que no consuma calorías, porque dicho motor sería un dispositivo de movimiento perpetuo no físico (como una rueda de agua que podría devolver el agua que ha pasado). sobre ella de vuelta a su altura original).
Página de título del ensayo de Carnot, Reflexiones sobre el poder motriz del fuego
El ensayo de Carnot fue finalmente desenterrado por Rudolf Clausius y William Thomson (más tarde para convertirse en Lord Kelvin), quienes reformularon el razonamiento de Carnot en el contexto de la equivalencia de calor y trabajo, y de la ley de conservación de la energía (establecida después de la muerte de Carnot). por el trabajo de Mayer, Joule y Helmholtz). Esto condujo directamente a la definición de una escala de temperatura absoluta y a la introducción de la entropía como una variable de estado para los sistemas termodinámicos (Clausius usó la letra S para la entropía en honor al trágico Sadi). Este trabajo estableció la segunda ley de la termodinámica, creando la física térmica moderna.
La importancia práctica y conceptual de esto es difícil de exagerar. Convirtió la química física en una rigurosa ciencia deductiva. Condujo a grandes mejoras en la tecnología de generación de energía. La explicación de las leyes de la termodinámica en términos de las propiedades estadísticas de los sistemas mecánicos compuestos de muchas partículas (una disciplina conocida como “mecánica estadística”) pronto reveló la insuficiencia de la física clásica para describir la materia y la radiación a nivel microscópico, lo que llevó a Gran revolución cuántica del siglo XX.
En su ensayo, Carnot también dedujo lo que ahora se llama la “relación Clausius-Clapeyron”, que hace predicciones rigurosas sobre las propiedades de las sustancias que experimentan transiciones de fase de primer orden, basadas solo en su postulado de la imposibilidad del movimiento perpetuo. Sobre esto Kelvin escribió:
Nada en toda la gama de la Filosofía Natural es más notable que el establecimiento de leyes generales mediante dicho proceso de razonamiento.
– “Un relato de la teoría de Carnot del poder motriz del calor” (1849)
Albert Einstein comentó que
Una teoría es cuanto más impresionante cuanto mayor es la simplicidad de sus premisas, más diferentes tipos de cosas se relacionan y más amplia es su área de aplicabilidad. Por lo tanto, la profunda impresión que la termodinámica clásica me causó. Es la única teoría física del contenido universal sobre la que estoy convencido de que, en el marco de la aplicabilidad de sus conceptos básicos, nunca será derrocada.
– “Notas autobiográficas” (1949)
Actualización (13 de abril de ’16) : después de publicar esta respuesta, me encontré con este bosquejo biográfico de Carnot (en francés), escrito por Maurice Lévy en 1897. Vale la pena citar el comienzo:
Sadi Carnot apenas era considerado un científico por sus contemporáneos. Chasles, quien se graduó con él de la École Polytechnique y era uno de sus amigos, había notado que a menudo hervía agua, pero el futuro gran geómetra no imaginó, a pesar del precedente de Papin, que tal actividad podría llevar a la gloria.
No obstante, Sadi Carnot se dirigió hacia allí, y no, como su amigo, por las formas inflexibles de la geometría, o incluso por cualquier forma ya abierta, sino al abrir un camino completamente nuevo, el más grande y fructífero legado a la filosofía natural desde Newton.