La afirmación básica de Carnot de que en todo motor (reversible o no) son indispensables tanto la caldera como el condensador, fue tan importante que, decenios después, Max Planck la postuló como la segunda ley de la termodinámica: Ningún motor térmico trabajando en un ciclo puede convertir íntegramente calor en trabajo. En otras palabras, es imposible construir un motor que funcione según la figura 24.
El diagrama de operación en ciclos del motor que viola la segunda ley de la termodinámica elimina precisamente el condensador. El precio a pagar, sin embargo, es la inevitable y ya mencionada contaminación térmica y química, ya que el calor Q2 proviene mayoritariamente de la quema de combustibles fósiles en las termoeléctricas, al igual que Q1 (figura 25).
Se ha mencionado que un motor trabajando en sentido inverso es un refrigerador, de manera semejante a como una rueda trabajando al revés es una bomba de agua.
Clausius formuló, a su vez, la segunda ley de la termodinámica en términos de refrigeradores, aunque se puede demostrar que es equivalente al enunciado de Planck: Ningún refrigerador trabajando en un ciclo puede enfriar un sistema, pasando energía a otro sistema más caliente, sin que se efectúe trabajo sobre él, por lo que es imposible construir un refrigerador como el de la figura 25.
El sistema que se enfría es el foco indicado por T2. Así pues, no hay refrigeradores que operen en ciclos sin que se haga trabajo sobre ellos. No hay refrigeradores gratis: necesariamente hay que pagar el precio de la electricidad consumida.
La pregunta de Carnot sobre la eficiencia máxima de los motores térmicos condujo a avances significativos de la termodinámica, pero también llevó al cálculo de su contaminación mínima. Este valor mínimo sirve como patrón para medir lo que se puede ahorrar en la quema de combustibles fósiles.
Hoy en día hay una gran variedad de dispositivos técnicos: refrigeradores, bombas de calor, acondicionadores de aire, etc. Si se quiere disminuir los costos de operación y la contaminación que ocasionan por funcionamiento ineficiente, hay que saber cuáles son sus eficiencias máximas posibles. Estas preguntas requieren la actualización del estudio de Carnot de los motores térmicos, a estos dispositivos.
Respecto a la eficiencia máxima de un motor térmico, Carnot indicó que:
Si una termoeléctrica opera con una eficiencia de 0.36, entre una caldera a 825 K y un condensador a 300 K, su eficiencia máxima es 0.64. Es decir, su eficiencia puede mejorarse casi al doble, y su contaminación térmica puede reducirse considerablemente. ¿Cuál es la eficiencia máxima de un refrigerador? En un refrigerador de cocina, se trata de extraer energía por calor Q3 de la parte fría del interior, que está a la temperatura T3, invirtiendo para ello trabajo W, como se ve en la figura 26 (p. 456). Por eso su eficiencia, que se llama coeficiente de desempeño, COD, es:
El coeficiente de desempeño máximo es el de un refrigerador reversible. Al invertir el refrigerador en su operación, se convierte en un motor reversible, en donde Q2 se procesa con la habitación "tibia" a T2 (la cocina), y Q3 es el calor procesado con el condensador a T3 (el interior del refrigerador). Entonces,
Sustituyendo este cociente en el COD queda que el valor máximo es:
Razonamientos semejantes permiten calcular las eficiencias máximas de todos los dispositivos técnicos termodinámicos y así disminuir los gastos económicos y de contaminación.
