Ciclo y Teorema de Carnot y Entropía

Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot fue propuesto en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot. El ciclo se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos, y puede ejecutarse ya sea en un sistema cerrado o en uno de flujo estable, con sustancia pura o con un gas. Los cuatro procesos reversibles que componen el ciclo de Carnot son los siguientes:

Expansión isotérmica reversible (proceso 1-2, TH constante con transferencia de calor QH hacia el gas).

Expansión adiabática reversible (proceso 2-3, la temperatura disminuye de TH a TL).

Compresión isotérmica reversible (proceso 3-4, TL constante con transferencia de calor desde el gas).

Compresión adiabática reversible (proceso 4-1, la temperatura aumenta de TL a TH).

Imagen 1. Ciclo de Carnot

La imagen anterior, corresponde al ciclo de Carnot operando para una máquina térmica, pero todos los procesos pueden invertirse para estudiar la máquina frigorífica. En este segundo caso, el ciclo permanece exactamente igual, excepto en que las direcciones de cualquier interacción de calor y de trabajo están invertidas. Se absorbe calor en una cantidad QL del  depósito de baja temperatura, y se desecha calor en la cantidad de QH en un depósito de alta temperatura, para lo cual se requiere una entrada de trabajo.

Teorema
El teorema de Carnot puede enunciarse como sigue: Ninguna máquina térmica real que opera entre dos depósitos térmicos puede ser más eficiente que una máquina de Carnot operando entre los mismos dos depósitos. Describiremos brevemente algunos aspectos de este teorema. Primero supondremos que la segunda ley es válida. Luego, imaginamos dos máquinas térmicas que operan entre los mismos depósitos de calor, una de las cuales es una máquina de Carnot con una eficiencia ec, y la otra, cuya eficiencia, e, es más grande que ec. Si la máquina más eficiente se opera para accionar la máquina de Carnot como un refrigerador, el resultado neto es la transferencia de calor del depósito frío al caliente. De acuerdo con la segunda ley, esto es imposible. En consecuencia, la suposición de que e > ec debe ser falsa.

Máquina de Carnot
Una máquina térmica que opera en un ciclo de Carnot se llama máquina reversible. Con este tipo de máquina se obtiene el máximo rendimiento. Ninguna máquina térmica que funcione entre dos fuentes dadas, puede tener un rendimiento superior al de una máquina de Carnot que funcione entre las mismas fuentes. 

Imagen 2. Esquema de la máquina térmica de Carnot.

Entropía 
El segundo principio de la termodinámica no se limita exclusivamente a máquinas térmicas sino que se ocupa, en general, de todos los procesos naturales que suceden de manera espontánea. Podemos decir que se ocupa de la evolución natural de los sistemas termodinámicos, es decir, de la dirección en que avanzan. Esta dirección se asocia a la distribución molecular interna de las moléculas.
Para estudiar la espontaneidad de los procesos, el austriaco Ludwig Edward Boltzmann introdujo una nueva magnitud denominada entropía. Esta es una variable de estado. Está asociada a la probabilidad de que un determinado estado ocurra en un sistema. Aquellos más probables tienen una mayor entropía.

Bibliografía 
UNET.  Ciclo de Carnot. (2005). Segunda ley de la termodinámica. Recuperado de http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-75.htm
 Fernández. J. L. (2013). Entropía. Fisicalab. Recuperado de https://www.fisicalab.com/apartado/segundo-principio-termo