Un ciclo térmico tipo

Como vimos, un ciclo termodinámico no es más que una serie de procesos caracterizados por el hecho de que el estado al que se llegue al final es el mismo que el estado del que se partió. Podrá pasar entre medias lo que se quiera, pero si el estado final coincide con el inicial, hablamos de un ciclo. Gráficamente (en un diagrama presión-volumen) se expresa de modo que el punto inicial y el final es el mismo, independientemente de la trayectoria que se haya seguido en ese viaje de ‘ida y vuelta’. En el ejemplo que vimos, nuestra trayectoria fue ir un poco a la derecha (del punto 1 al 2) y volver a la izquierda (del 2 al 1). Partiendo del punto inicial, fuimos y volvimos, llegando de nuevo al punto inicial.

Ésta es la representación gráfica de un ciclo: una trayectoria (que no necesariamente ha de ser lineal, muy bien puede ser curva, de hecho es lo común) cerrada sobre sí misma. Si la curva es abierta, quiere decirse que no coinciden el punto final y el inicial, luego no es un ciclo. Lo interesante de esto, tal y como apuntaba, es que, a pesar de volver al estado inicial, en absoluto las cosas están después del ciclo como lo estaban antes de él. Que las cosas acaben como estaban competen a nuestro sistema termodinámico, pero no a su entorno, el cual será modificado por él. Y por aquí hay que buscar su utilidad y su importancia.

Cuando explicábamos dicho diagrama, empleábamos un cilindro con un gas y una tapa; y veíamos cómo calentando el gas, éste era capaz de realizar un trabajo elevando la pesada tapa del recipiente; y decíamos también que eso podía funcionar como un elevador (siguiendo a Gómez Esteban). Es más que recomendable tener presente esa idea (que no repito aquí, para no ser redundante), sin la cual será complicado comprender lo que sigue. Simplemente pongo el dibujo que puse allí, para refrescar la memoria. Démonos cuenta de que, si bien en este dibujo el volumen crece hacia arriba subiendo la tapa, en el diagrama ese incremento de volumen se da en el eje de abcisas, es decir, desplazándose hacia la derecha (y cuando disminuye el volumen, nos desplazaremos hacia la izquierda). Con esa imagen en la cabeza, vamos a representar un ciclo completo empleando ese esquema como un elevador para subir cosas, describiéndolo paso a paso.

Paso A. Partimos de un estado inicial, que es el depósito que contiene gas, sobre el que hay una tapa, que muy bien puede actuar a modo de plataforma elevadora. El peso de la tapa ejercerá una presión sobre el gas, confinándolo en un determinado volumen. De este modo, el gas se encuentra a una presión inicial (P₁) y a un volumen inicial también (V₁), y a una determinada temperatura, la que sea.

Paso B. Supongamos que sobre la tapa del depósito, que actúa a modo de plataforma, ponemos unos trastos que queremos elevar, de modo que ahora el gas soporta el peso de la plataforma y el de los trastos que hemos puesto. Situémonos en ese momento justo en que hemos cargado la plataforma, antes de que pase nada más. En ese momento, el volumen del gas seguirá siendo el mismo (V₁), pero su presión habrá aumentado (habrá pasado de P₁ a P₂), porque hay más carga encima de él.

Paso C. Como lo que queremos es elevar los trastos a una determinada altura, para ello es necesario que el gas se expanda, y lo que hemos de hacer es calentarlo, de modo que, al expandirse, empuja a la plataforma y a los trastos hacia arriba. La presión sigue siendo la misma (el peso que recae sobre el gas es el mismo, el de la plataforma y el de los trastos; o sea, se mantiene la misma presión (P₂), y el gas se expande, aumentando de volumen (pasa de V₁ a V₂). Esto quiere decir que los trastos han ascendido, se han elevado.

Paso D. Una vez hemos elevado a los trastos, lo que toca es descargarlos, quedando únicamente la plataforma. Pensemos en ese justo instante en que la plataforma se halla libre de ese sobrepeso que eran los trastos, antes de que pase ninguna otra cosa. En es justo instante, el gas se encontrará con el mismo volumen (también a la misma temperatura), mientras que la presión habrá descendido, pues ésta ahora está unicamente causada por el peso de la plataforma, pues los trastos ya no están. La presión, pues, habrá disminuido (pasa de P₂ a la original, a P₁), manteniéndose en ese instante todavía el mismo volumen (V₂).

Paso E (o A de nuevo). Estamos justo en ese instante en que la plataforma se ha descargado, ejerciendo menor presión sobre el gas, la presión original (P₁), y aún no ha pasado nada más. Lo normal es que, al tener menos presión encima, el gas empuje de nuevo la plaforma hacia arriba, hasta que alcance un nuevo estado de equilibrio a una altura mayor. Pero, en vez de eso, lo que nosotros queremos es que la plataforma descienda, para volver a cargarla de trastos una vez abajo. ¿Cómo conseguirlo? Pues bajando la temperatura del gas, para que éste se contraiga a la vez que desciende la temperatura, disminuyendo su volumen (pasando de V₂ al original, V₁), proceso en que el que se mantendrá constante la presión, que no es otra que la causada por la plataforma, como decíamos (P₁). Resultado: tenemos la plataforma abajo y descargada, con el gas a la presión, al volumen y a la temperatura iniciales. Se trata de la situación de la que partíamos, y estamos en disposición de volver a repetir todo el proceso, elevando todos los trastos que queramos.

Vemos, pues, cómo nuestro ‘elevador’ ha llegado finalmente al mismo estado del que partía, pero no todo sigue igual: sí en nuestro sistema, pero no en el entorno, pues, gracias a ello, hemos podido elevar unos trastos a la altura que nos interesaba. El sistema termodinámico está igual que estaba, pero su entorno no. Queda un último detalle, porque lo cierto es que ha habido un aumento de temperatura o, dicho de otro modo, un aporte de calor, y también una disminución de temperatura o una emisión de calor. Y esto no lo hemos reflejado en ningún momento en el diagrama. Esto se suele poner sobre el mismo ciclo. Con todo esto hemos llegado al esquema de lo que es un ciclo de Carnot, que creo que todos hemos oído alguna vez.

Podríamos preguntarnos si esa modificación del entorno queda, o puede quedar reflejado de alguna manera en el diagrama. Y la respuesta es afirmativa. Veíamos también cómo el trabajo realizado cuando el gas se expande se podía ver gráficamente por el área que quedaba bajo la línea que describía dicha expansión, que en nuestro caso era la línea B-C; en este caso, el gas realizaba el trabajo por el aumento de calor. Lo mismo, pero en sentido opuesto, se puede decir del proceso en que el gas se comprimía, en este caso enfriándose o emitiendo calor. Pues ocurre que en ambos casos el trabajo puesto en juego no es igual, pues en el primer caso, había una carga mayor (plataforma y trastos) y en el segundo, menor (sólo la plataforma, pues los trastos ya los habíamos descargados). Tenemos así dos áreas, cuya diferencia es precisamente el área que queda dentro del ciclo dibujado.

El sistema está igual que estaba antes, pero el caso es que realmente ha realizado un trabajo, es decir, hay un trabajo neto realizado por el sistema, que es la diferencia entre el trabajo realizado durante la expansión y el recibido o el padecido (por decirlo así) durante el proceso de comprensión. Es fácil observar que, cuanto mayor sea el área que quede encerrada dentro de la línea que describe el ciclo, mayor será el trabajo neto realizado, lo que quiere decir —como veremos— que nuestro sistema es más eficiente, o que su rendimiento es mayor. Pero bueno, por hoy ya está bien.