Nicolas Léonard Sadi Carnot ( pronunciación francesa: [nikɔla leɔnaʁ sadi kaʁno] ; 1 de junio de 1796 - 24 de agosto de 1832) fue un ingeniero mecánico francés del ejército francés , científico militar y físico , a menudo descrito como el "padre de la termodinámica ". Publicó un solo libro, las Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego (París, 1824), en el que expresó la primera teoría exitosa sobre la máxima eficiencia de las máquinas térmicas y sentó las bases de la nueva disciplina: la termodinámica. El trabajo de Carnot atrajo poca atención durante su vida, pero más tarde fue utilizado por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formalizar la segunda ley de la termodinámica y definir el concepto de entropía . Impulsado por preocupaciones puramente técnicas, como mejorar el rendimiento de la máquina de vapor , el trabajo teórico de Sadi Carnot sentó importantes bases para la ciencia moderna, así como para tecnologías como el automóvil y el motor a reacción .
Su padre, Lazare Carnot, fue un eminente matemático, ingeniero militar y líder del ejército revolucionario francés .
Nicolas Léonard Sadi Carnot nació en París, en el Palacio del Pequeño Luxemburgo, en el seno de una familia distinguida tanto en la ciencia como en la política. Fue el primer hijo de Lazare Carnot, quien eligió el tercer nombre de su hijo, Sadi (por el que siempre sería conocido) en honor al poeta persa Sadi de Shiraz . Sadi era el hermano mayor del estadista Hippolyte Carnot y tío de Marie François Sadi Carnot , quien sirvió como presidenta de Francia de 1887 a 1894.
Su padre, Lazare Carnot, consciente del potencial de su hijo, lo envió al Lycée Charlemagne de París para prepararlo para los exámenes de la École Polytechnique. En 1811, a la edad de 16 años, la edad mínima posible, Sadi Carnot se convirtió en cadete en la École Polytechnique de París, donde entre sus compañeros se encontraban Michel Chasles y Gaspard-Gustave Coriolis . La École Polytechnique estaba destinada a formar ingenieros para el servicio militar, pero entre sus profesores se encontraban científicos tan eminentes como André-Marie Ampère , François Arago , Joseph Louis Gay-Lussac , Louis Jacques Thénard , Jean Nicolas Pierre Hachette , Jean-Henri Hassenfratz , Antoine André. Louis Reynaud y Siméon Denis Poisson . Así, la escuela se había hecho famosa por su enseñanza matemática. [1]
Después de graduarse en 1814, Sadi fue a estudiar a la École du Génie en Metz para estudiar el curso de dos años de ingeniería militar. Luego, Sadi se convirtió en oficial del cuerpo de ingenieros del ejército francés . Su padre Lazare había servido como ministro del interior de Napoleón durante los " Cien Días " y, después de la derrota final de Napoleón en 1815 , Lazare se vio obligado a exiliarse. La posición de Sadi en el ejército, bajo la restaurada monarquía borbónica de Luis XVIII , se volvió cada vez más difícil. [2]
Sadi Carnot fue destinado a diferentes lugares, donde inspeccionó fortificaciones , siguió planes y redactó numerosos informes. Parecía que sus recomendaciones fueron ignoradas y su carrera estaba estancada. [3] El 15 de septiembre de 1818 tomó una licencia de seis meses para prepararse para el examen de ingreso al Real Cuerpo de Estado Mayor y a la Escuela de Aplicación al Servicio del Estado Mayor. [2]
En 1819, Sadi se trasladó al recién formado Estado Mayor en París. Siguió cumpliendo servicio militar, pero a partir de entonces dedicó la mayor parte de su atención a actividades intelectuales privadas y recibió sólo dos tercios de su paga. Carnot se hizo amigo de Nicolas Clément y Charles-Bernard Desormes y asistió a conferencias sobre física y química. Se interesó en comprender la limitación para mejorar el rendimiento de las máquinas de vapor , lo que lo llevó a las investigaciones que se convirtieron en sus Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego , publicadas en 1824.
Carnot se retiró del ejército en 1828, sin pensión. Fue internado en un asilo privado en 1832 por "manía" y "delirio generalizado", y murió de cólera poco después, a los 36 años, en el hospital de Ivry-sur-Seine . [4] La tumba de Léonard Sadi Carnot todavía se encuentra en el cementerio de Ivry-sur-Seine, con este texto impreso: LEONARD SADI - CARNOT - PARIS 1 ER JUIN 1796 - IVRY 24 AOUT 1832 - ELÈVE DE L'ECOLE POLITÉCNICO - CAPITAINE DU GENIE - MÉDICO - FONDATEUR DE LA - THERMO DYNAMIQUE.
Cuando Carnot comenzó a trabajar en su libro, las máquinas de vapor habían alcanzado una importancia económica e industrial ampliamente reconocida, pero no se había realizado ningún estudio científico real sobre ellas. Newcomen había inventado la primera máquina de vapor accionada por pistón más de un siglo antes, en 1712; Unos 50 años después, James Watt realizó sus célebres mejoras, que fueron responsables de aumentar en gran medida la eficiencia y la practicidad de las máquinas de vapor. Los motores compuestos (motores con más de una etapa de expansión) ya se habían inventado, e incluso existía una forma tosca de motor de combustión interna , con la que Carnot estaba familiarizado y que describió con cierto detalle en su libro. Aunque existía cierta comprensión intuitiva del funcionamiento de los motores, la teoría científica sobre su funcionamiento era casi inexistente. En 1824, el principio de conservación de la energía todavía estaba poco desarrollado y era controvertido, y aún faltaba más de una década para una formulación exacta de la primera ley de la termodinámica ; la equivalencia mecánica del calor no se formularía hasta dentro de dos décadas. La teoría predominante del calor era la teoría calórica , que consideraba el calor como una especie de fluido ingrávido e invisible que fluía cuando estaba fuera de equilibrio .
Los ingenieros de la época de Carnot habían intentado, mediante medios como vapor altamente presurizado y el uso de fluidos, mejorar la eficiencia de los motores. En estas primeras etapas del desarrollo de motores, la eficiencia de un motor típico (el trabajo útil que era capaz de realizar cuando se quemaba una cantidad determinada de combustible ) era sólo del 3%.
Carnot quería responder dos preguntas sobre el funcionamiento de las máquinas térmicas: "¿Es potencialmente ilimitado el trabajo disponible a partir de una fuente de calor?" y "¿Se pueden mejorar, en principio, los motores térmicos reemplazando el vapor con algún otro fluido o gas de trabajo?" Intentó responder a estas preguntas en una memoria, publicada como obra popular en 1824, cuando sólo tenía 27 años. Se tituló Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu ("Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego"). El libro estaba claramente destinado a cubrir una gama bastante amplia de temas sobre motores térmicos de una manera bastante popular; las ecuaciones se mantuvieron al mínimo y requirieron poco más que simple álgebra y aritmética, excepto ocasionalmente en las notas a pie de página, donde Carnot se permitió algunos argumentos que involucraban algo de cálculo. Discutió los méritos relativos del aire y el vapor como fluidos de trabajo, los méritos de varios aspectos del diseño de máquinas de vapor e incluso incluyó algunas ideas propias sobre posibles mejoras prácticas. La parte más importante del libro se concentró en una presentación abstracta de un motor idealizado que podría usarse para comprender y aclarar los principios fundamentales que generalmente se aplican a todos los motores térmicos, independientemente de su diseño.
Quizás la contribución más importante que hizo Carnot a la termodinámica fue su abstracción de las características esenciales de la máquina de vapor, como se las conocía en su época, en una máquina térmica más general e idealizada . Esto dio como resultado un sistema termodinámico modelo sobre el cual se podían hacer cálculos exactos y evitó las complicaciones introducidas por muchas de las características toscas de la máquina de vapor contemporánea. Idealizando el motor, pudo llegar a respuestas claras e indiscutibles a sus dos preguntas originales.
Demostró que la eficiencia de este motor idealizado es función únicamente de las dos temperaturas de los depósitos entre los que opera. Sin embargo, no dio la forma exacta de la función, que luego se demostró que era ( T 1 − T 2 )/ T 1 , donde T 1 es la temperatura absoluta del depósito más caliente. (Nota: esta ecuación probablemente proviene de Kelvin ). Ningún motor térmico que funcione en cualquier otro ciclo puede ser más eficiente, dadas las mismas temperaturas de funcionamiento .
El ciclo de Carnot es el motor más eficiente posible, no sólo por la (trivial) ausencia de fricción y otros procesos derrochadores incidentales; la razón principal es que se supone que no hay conducción de calor entre partes del motor a diferentes temperaturas. Carnot sabía que la conducción de calor entre cuerpos a diferentes temperaturas es un proceso inútil e irreversible, que debe eliminarse si se quiere que la máquina térmica alcance la máxima eficiencia.
Respecto al segundo punto, también estaba bastante seguro de que la máxima eficiencia alcanzable no dependía de la naturaleza exacta del fluido de trabajo . Dijo esto para enfatizarlo como una proposición general:
La fuerza motriz del calor es independiente de los agentes empleados para producirla; su cantidad está fijada únicamente por las temperaturas de los cuerpos entre los cuales se efectúa finalmente la transferencia de calor.
— Carnot 1890, pág. 68
Por su "poder motriz del calor", hoy diríamos "la eficiencia de una máquina térmica reversible"; y en lugar de "transferencia de calor" diríamos "la transferencia reversible de entropía ∆S " o "la transferencia reversible de calor a una temperatura dada Q/T ". Carnot sabía intuitivamente que su motor tendría la máxima eficiencia, pero no pudo indicar cuál sería esa eficiencia.
Él concluyó:
Por lo tanto, la producción de fuerza motriz en las máquinas de vapor no se debe al consumo real de calorías sino a su transporte de un cuerpo caliente a un cuerpo frío. [5]
— Carnot 1890, pág. 46
y
En la caída del calórico, la fuerza motriz aumenta indudablemente con la diferencia de temperatura entre los cuerpos cálidos y fríos, pero no sabemos si es proporcional a esta diferencia. [6]
— Carnot 1890, pág. 61
En un modelo idealizado, el calórico transportado de un cuerpo caliente a uno frío mediante un motor térmico sin fricción que carece de flujo de calor conductivo, impulsado por una diferencia de temperatura, que produce trabajo, también podría usarse para transportar el calórico de regreso al cuerpo caliente mediante invertir el movimiento del motor consume la misma cantidad de trabajo, concepto conocido posteriormente como reversibilidad termodinámica . Carnot postuló además que no se pierde ninguna caloría durante el funcionamiento de su motor idealizado. El proceso completamente reversible ejecutado por este tipo de motor térmico es el proceso más eficiente posible. La suposición de que puede existir una conducción de calor no impulsada por una diferencia de temperatura, de modo que el motor no pierda calorías, lo guió a diseñar el ciclo de Carnot para que fuera operado por su motor idealizado. En consecuencia, el ciclo se compone de procesos adiabáticos donde no fluye calor/calórico ∆S = 0 y procesos isotérmicos donde se transfiere calor ∆S > 0 pero no existe diferencia de temperatura ∆T = 0. La prueba de la existencia de una eficiencia máxima para los motores térmicos es la siguiente:
Como el ciclo que lleva el nombre de Carnot no desperdicia calorías, el motor reversible debe utilizar este ciclo. Imaginemos ahora dos cuerpos grandes, uno caliente y otro frío. Postula ahora la existencia de una máquina térmica con mayor eficiencia. Acoplamos ahora dos máquinas idealizadas —pero de diferentes eficiencias— y las conectamos al mismo cuerpo caliente y al mismo cuerpo frío. La primera y menos eficiente permite que una cantidad constante de entropía ∆S = Q/T fluya de lo caliente a lo frío durante cada ciclo, produciendo una cantidad de trabajo denotada W. Si usamos ahora este trabajo para alimentar la otra máquina —más eficiente— , utilizaría la cantidad de trabajo W ganado durante cada ciclo por la primera máquina, haría que una cantidad de entropía ∆S' > ∆S fluyera del cuerpo frío al caliente. El efecto neto es un flujo de ∆S' − ∆S ≠ 0 de entropía desde el cuerpo frío al caliente, mientras que no se realiza ningún trabajo neto. En consecuencia, el cuerpo frío se enfría y el cuerpo caliente aumenta de temperatura. A medida que aumenta la diferencia de temperatura, ahora el rendimiento de trabajo del primero es mayor en los ciclos sucesivos y debido al segundo motor la diferencia de temperatura de los dos cuerpos se alarga aún más en cada ciclo. Al final este conjunto de máquinas sería un perpetuum mobile que no puede existir. Esto demuestra que la suposición de la existencia de un motor más eficiente era errónea, por lo que un motor térmico que opera el ciclo de Carnot debe ser el más eficiente. Esto significa que un motor térmico sin fricción que carece de flujo de calor conductivo impulsado por una diferencia de temperatura muestra la máxima eficiencia posible.
Carnot concluye además que la elección del fluido de trabajo, su densidad o el volumen ocupado por él no pueden cambiar esta eficiencia máxima. Utilizando la equivalencia de cualquier gas de trabajo utilizado en los motores térmicos, dedujo que la diferencia en el calor específico de un gas medido a presión constante y el medido a volumen constante debe ser constante para todos los gases. Comparando el funcionamiento de sus hipotéticas máquinas térmicas para dos volúmenes diferentes ocupados por la misma cantidad de gas de trabajo, deduce correctamente la relación entre entropía y volumen para un proceso isotérmico :
El libro de Carnot recibió muy poca atención por parte de sus contemporáneos. La única referencia a él pocos años después de su publicación fue en una reseña de la revista Revue Encyclopédique , que era una revista que cubría una amplia gama de temas de la literatura. El impacto de la obra sólo se hizo evidente una vez que Émile Clapeyron la modernizó en 1834 y luego la desarrollaron aún más Clausius y Kelvin , quienes juntos derivaron de ella el concepto de entropía y la segunda ley de la termodinámica. Rankine , que introdujo el término energía potencial en 1853, se enteró más tarde de que Carnot había anticipado una frase equivalente, "en su sentido puramente mecánico", que había empleado el término force vive virtule . [7]
Según las opiniones religiosas de Carnot, era un teísta filosófico . [8] Creía en la causalidad divina , afirmando que "lo que para un hombre ignorante es casualidad, no puede serlo para uno mejor instruido", pero no creía en el castigo divino. Criticó la religión establecida, aunque al mismo tiempo habló a favor de "la creencia en un Ser todopoderoso, que nos ama y vela por nosotros". [9]
Fue lector de Blaise Pascal , Molière y Jean de La Fontaine . [10]
Carnot murió durante una epidemia de cólera en 1832, a la edad de 36 años. (Asimov 1982, p. 332) Debido a la naturaleza contagiosa del cólera , muchas de las pertenencias y escritos de Carnot fueron enterrados junto con él después de su muerte. Como consecuencia, sólo sobrevivieron un puñado de sus escritos científicos.
Después de la publicación de Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego , el libro se agotó rápidamente y durante algún tiempo fue muy difícil de conseguir. Kelvin , por ejemplo, tuvo dificultades para conseguir una copia del libro de Carnot. En 1890 , RH Thurston publicó una traducción al inglés del libro ; [11] esta versión ha sido reimpresa en las últimas décadas por Dover y Peter Smith, más recientemente por Dover en 2005. Algunos de los manuscritos póstumos de Carnot también han sido traducidos al inglés.
Carnot publicó su libro en el apogeo de las máquinas de vapor. Su teoría explicaba por qué las máquinas de vapor que utilizaban vapor sobrecalentado eran mejores debido a la mayor temperatura del consiguiente depósito caliente. Las teorías y los esfuerzos de Carnot no ayudaron inmediatamente a mejorar la eficiencia de las máquinas de vapor; sus teorías sólo ayudaron a explicar por qué una práctica existente era superior a otras. Sólo hacia finales del siglo XIX se pusieron en práctica las ideas de Carnot, a saber, que una máquina térmica puede hacerse más eficiente si se aumenta la temperatura de su depósito caliente. Sin embargo, el libro de Carnot acabó teniendo un impacto real en el diseño de motores prácticos. Rudolf Diesel , por ejemplo, utilizó las teorías de Carnot [12] para diseñar el motor diésel , en el que la temperatura del depósito caliente es mucho más alta que la de una máquina de vapor, lo que da como resultado un motor más eficiente.
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