Introduccin

La termodinmica como ciencia fundamental en la aplicacin de determinados procesos o ciclos los cuales produccin cambio te temperatura y trasmisin de calor en esta oportunidad abarcaremos los siclos termodinmicos ms conocidos y aplicados a la tecnologa de nuestros tiempo as como tambin observaremos cules son sus ventajas y desventajas de rendimiento ,trabajo , calor y su presin media efectiva .Los ciclos termodinmicos son aquellos procesos en los que un sistema sufre una serie de transformacin es termodinmicas partiendo de un estado inicial tras los cuales llega a un estado final que es igual al inicial. Su funcionamiento cclico es el principio de cualquier mquina trmica

Marco tericoCiclo termodinmicose denominaciclo termodinmicoa cualquier serie deprocesos termodinmicostales que, al transcurso de todos ellos, el sistemaregresa a suestadoinicial; es decir , que la variacin de lasmagnitudestermodinmicas propias del sistema sea nula.No obstante, a variables como elcaloro eltrabajono es aplicable lo anteriormente dicho ya que stas no sonfunciones de estadodel sistema, sino transferencias de energa entre ste y su entorno. Un hecho caracterstico de los ciclos termodinmicos es que laprimera ley de la termodinmicadicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistemaRepresentacin de un sistema termodinmico en un diagrama P-VRepresentado en undiagrama P-V(presin/volumen especfico), un ciclo termodinmico adopta la forma de una curva cerrada. En este diagrama el volumen de un sistema es representado en abscisas y la presin en ordenadas de forma que como,se tiene que el trabajo por cambio de volumen (o en general, si no se usa una rueda de paletas o procedimiento similar) es igual al rea descrita entre la lnea que representa el proceso y el eje de abcisas.El sentido de avance, indicado por las puntas de flecha, nos indica si el incremento de volumen es positivo (hacia la derecha) o negativo (hacia la izquierda) y, como consecuencia, si el trabajo es positivo o negativo, respectivamente.Por lo tanto, se puede concluir que el rea encerrada por la curva que representa un ciclo termodinmico en este diagrama, indica el trabajo totalrealizado(en un ciclo completo) por el sistema, si ste avanza ensentido horarioo, por el contrario, el trabajo totalejercidosobre el sistema si lo hace en sentido antihorario.

CICLO DE ERICKSON STIRLINGAplicadas a motores de aire caliente (Efecto regenerativo)STIRLINGEs un ciclo termodinamico reversible de potencia que busca obtener el maximo rendimiento. Es semejante al ciclo de carnot ya que es el unico capaz de aproximarse al rendimiento de carnot, por lo que es la mejor opcion.Los Ciclos Stirling y Ericsson difieren del ciclo de Carnot en que los procesos isentrpicos son reemplazados por procesos de regeneracin

Funcionamiento Del Ciclo Stirling En este ciclo termodinmico el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotrmicas y dos transformaciones isocricas (a volumen constante). 1-2 : Expansion isotermica. Se absorbe calor de la fuente caliente. 2-3 : Compresion Isocorica. Se cede una cantidad de calor al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura. 3-4 : Compresion Isotermica. Se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fria. 4-1 : Expansion Isocorica. Absorcion de calor a volumen constante. El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presion.

CICLO ERICSSONElciclo Ericssonfue ideado por el inventorJohn Ericsson, que proyect y construy varios motores de aire caliente basados en diferentes ciclos termodinmicos.Es considerado el autor de dos ciclos para motores trmicos de combustin externa y constructor de motores reales basados en los ciclos mencionados.

Consta de 4 fases: 1-2 : Expansion Isotermica y proceso de absorcion de calor. 2-3: Compresion Isobarica y proceso de rechazo de calor. (El aire pasa a travez del regenerador donde su temperatura se reduce a T3 a presion constante) 3-4: Compresion Isotermica 4-1: Expansion Isobarica

El ciclo ericsson y stirling son usados en motores de combustion externa. Tienen en teoria un rendimiento ideal.Estos dos ciclos junto al de carnot son reversibles, los tres ciclos tendran la misma eficiencia termica cuando operen entre los mismos limites de temperatura

Que es Regeneracion?Proceso durante el cual se transfiere calor a un dispositivo, llamado Regenerador, durante una parte del ciclo y se transfiere de nuevo al fluido de trabajo durante otra parte del ciclo.

Aplicacin de Trabajo, calor y rendimiento

CICLO DE DIESEL . OTTOCiclo DieselElciclo delmotor disellento (en contraposicin al ciclo rpido, ms aproximado a la realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealizacin del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases derenovacin de la carga, y se asume que el fluido termodinmico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Adems, se acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy aproximado del comportamiento real del motor, permite al menos extraer una serie de conclusiones cualitativas con respecto a este tipo de motores. No hay que olvidar que los grandes motores marinos y de traccin ferroviaria son del ciclo de2 tiempos diesel.

Rendimiento en funcin de las temperaturasUn ciclo disel contiene dos proceso adiabticos, AB y CD, en los que no se intercambia calor. De los otros dos, en el calentamiento a presin constante BC, el gas recibe una cantidad de calor|Qc|del exterior igual a

En el enfriamiento a volumen constante DA el sistema cede una cantidad de calor al ambiente

El rendimiento del ciclo ser entonces

con =cp/cVla proporcin entre las capacidades calorficas.

Calor absorbidoEl calor procedente del foco caliente es absorbido en la expansin a presin constante y es igual a

donde hemos usado que

que para = 1.4da el resultado conocidocp= 3.5R.Un resultado ms exacto para un proceso a presin constante, sin hacer uso de la hiptesis de gas ideal, consistira en igualar el calor a la variacin en la entalpa

y aplicar valores tabulados de la entalpa del aire para las presiones y temperaturas de los estados B y C.Calor cedidoEl calor que se intercambia con el foco fro se cede en el enfriamiento a volumen constante

donde, como antes, hemos empleado la relacin

que para = 1.4dacV= 2.5R.Si se quisiera hacer exactamente, habra que aplicar que para un proceso a volumen constante el calor equivale a la variacin en la energa interna

Trabajo realizadoEl trabajo realizado por el sistema durante un ciclo es la diferencia entre el calor absorbido y el cedido (en valores absolutos)

RendimientoEl rendimiento de este ciclo Diesel lo podemos hallar como el trabajo realizado dividido por el calor absorbido

Vemos que el rendimiento es mucho mayor que para un ciclo Otto que, para valores tpicos de motores de explosin, rondaba el 50%. La causa principal de la diferencia es la mucho mayor relacin de compresin en el motor disel.El rendimiento de este ciclo Diesel es, por supuesto, inferior al de unciclo de Carnotque operara entre las temperaturasTAyTC:

Comparacin con el ciclo OttoSegn indicamos en la introduccin, el ciclo Diesel ideal se distingue del Otto ideal en la fase de combustin, que en el ciclo Otto se supone a volumen constante y en el Diesel a presin constante. Por ello el rendimiento es diferente.Si escribimos el rendimiento de un ciclo Diesel en la forma

vemos que la eficiencia de un ciclo Diesel se diferencia de la de un ciclo Otto por el factor entre parntesis. Este factor siempre mayor que la unidad, por ello, para iguales razones de compresinr

CICLO DE BRAYTONTambin conocido comociclo Jouleociclo Froude, es unciclo termodinmicoconsistente, en su forma ms sencilla, en una etapa de compresinadiabtica, una etapa de calentamientoisobricoy una expansin adiabtica de unfluidotermodinmico compresible. Es uno de los ciclos termodinmicos de ms amplia aplicacin, al ser la base del motor deturbina de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecnico que se emplee para la produccin de electricidad en los quemadores de gas natural o algn otro aprovechamiento caso de las industrias de generacin elctrica y de algunos motores terrestres o marinos, respectivamente, hasta la generacin de unempujeen unaerorreactor.Unciclo Brayton(oJoule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo est formado por cuatro pasos reversibles, segn se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresin

siendor=pB/pAlarelacin de presinigual al cociente entre la presin al final del proceso de compresin y al inicio de l.. El mtodo para obtener este resultado es anlogo al empleado para elCiclo Otto.

Intercambio de calorDe los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos adiabticos AB y CD, por definicin. S se intercambia en los dos procesos isbaros. En la combustin BC, una cierta cantidad de calorQc(procedente de la energa interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a presin constante, el calor coincide con el aumento de la entalpa

El subndice "c" viene de que este calor se intercambia con un supuesto fococaliente. En la expulsin de los gases DA el aire sale a una temperatura mayor que a la entrada, liberando posteriormente un calor|Qf|al ambiente. En el modelo de sistema cerrado, en el que nos imaginamos que es el mismo aire el que se comprime una y otra vez en el motor, modelamos esto como que el calor|Qf|es liberado en el proceso DA, por enfriamiento. El valor absoluto viene de que, siendo un calor que sale del sistema al ambiente, su signo es negativo. Su valor, anlogamente al caso anterior, es

El subndice "f" viene de que este calor se cede a un focofro, que es el ambiente.Trabajo realizadoEn este ciclo (a diferencia de lo que ocurre en elciclo Otto) se realiza trabajo en los cuatro procesos. En dos de ellos el trabajo es positivo y en dos es negativo. En la compresin de la mezcla AB, se realiza un trabajo positivo sobre el gas. Al ser un proceso adiabtico, todo este trabajo se invierte en incrementar la energa interna, elevando su temperatura:

En la combustin el gas se expande a presin constante, por lo que el trabajo es igual a la presin por el incremento de volumen, cambiado de signo:

Este trabajo es negativo, ya que es el aire, al expandirse, el que realiza el trabajo. Aplicando la ecuacin de los gases ideales y quepB=pC, podemos escribir este trabajo como

En la expansin CD es el aire el que realiza trabajo sobre el pistn. De nuevo este trabajo til equivale a la variacin de la energa interna

este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza. En el enfriamiento en el exterior tenemos una compresin a presin constante:

El trabajo neto realizado sobre el gas es la suma de los cuatro trminos

Aplicando la ley de Mayer

este trabajo se puede expresar como

Por tratarse de un proceso cclico, la variacin de la energa interna es nula al finalizar el ciclo. Esto implica que el calor neto introducido en el sistema esigual al trabajo neto realizado por este, en valor absoluto.

RendimientoElrendimiento(oeficiencia) de una mquina trmica se define, en general como lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta. En este caso, lo que sacamos es el trabajo neto til,|W|. Lo que nos cuesta es el calorQc, que introducimos en la combustin. No podemos restarle el calor|Qf|ya que ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violara elenunciado de Kelvin-Planck). Por tanto

Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores

Esta es la expresin general del rendimiento de una mquina trmica.EficienciaLa eficiencia de este ciclo es

Esto quiere decir que ms de la mitad del calor que entra en el ciclo ideal es disipada al exterior y solo un 45% es aprovechado como trabajo. En una turbina real la eficiencia es an ms baja.

CICLO DE RANKINGElciclo de Rankinees unciclo termodinmicoque tiene como objetivo la conversin decalorentrabajo, constituyendo lo que se denomina unciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia est acotada por la eficiencia termodinmica de unciclo de Carnotque operase entre los mismos focos trmicos (lmite mximo que impone el Segundo Principio de la Termodinmica). Debe su nombre a su desarrollador, elingenieroyfsicoescocsWilliam John Macquorn Rankine.El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal est formado por cuatro procesos: dos isoentrpicos y dos isobricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan segn procesos isoentrpicos (adiabticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin prdidas de carga y por tanto sin cadas de presin. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los nmeros del 1 al 4 en el diagrama T-s:1: vapor sobrecalentado;2: mezcla bifsica de ttulo elevado o vapor hmedo; 3: lquido saturado; 4: lquido subenfriado.

Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles): Proceso 1-2: Expansin isoentrpica del fluido de trabajo en la turbina desde la presin de la caldera hasta la presin del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma. Proceso 2-3: Transmisin de calor a presin constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeracin, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de lquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin prdidas de carga. Proceso 3-4: Compresin isoentrpica del fluido de trabajo en fase lquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presin del fluido de trabajo hasta el valor de presin en caldera. Proceso 4-1: Transmisin de calor hacia el fluido de trabajo a presin constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturacin, luego tiene lugar el cambio de fase lquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presin es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero esta suele ser muy pequea en comparacin y suele despreciarse).

Calor sumistrado y rechazadoSuponiendo que la mezcla de aire y gasolina se comporta como ungas ideal, los calores que aparecen en la ecuacin anterior vienen dados por:

Trabajo netoPor convencin de signos, un signo negativo significa lo contrario. Es decir, un trabajo negativo significa que el trabajo es realizado sobre el sistema.Con este convenio de signos el trabajo obtenido deber ser, por lo tanto, negativo. Tal como est definido, y despreciando los cambios enenerga mecnica, a partir de la primera ley:

Como dU (diferencial de laenerga interna) es una diferencial exacta, el valor de U es el mismo al inicio y al final del ciclo, y es independiente del camino, por lo tanto la integral de dU vale cero, con lo que queda

Por lo tanto, en el ciclo el sistema ha realizado un trabajo sobre el exterior.Redimiento termico del ciclo

Se puede hacer un balance energtico en el condensador y la caldera, lo que nos permite conocer los flujos msicos de refrigerante y gasto de combustible respectivamente, as como el balance entrpico para poder sacar la irreversibilidad del ciclo y energa perdida.CICLO DE OTTOElciclo Ottoes elciclo termodinmicoque se aplica en losmotores de combustin internade encendido provocado (motores de gasolina). Inventado porNicolaus Ottoen 1876. Se caracteriza porque en una primera aproximacin terica, todo el calor se aporta a volumen constante.El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en elciclo termodinmicodel fluido operante pero son fundamentales para larenovacin de la cargadel mismo: E-A: admisin a presin constante (renovacin de la carga). A-B: compresin de los gases eisoentrpica. B-C: combustin, aporte de calor a volumen constante. La presin se eleva rpidamente antes de comenzar el tiempo til. C-D: fuerza, expansin isoentrpica o parte del ciclo que entrega trabajo. D-A: Escape, cesin del calor residual al ambiente a volumen constante. A-E: Escape, vaciado de la cmara a presin constante (renovacin de la carga.)(isocnica).Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este ltimo, junto con elmotor disel, es el ms utilizado en los automviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.

Ciclo de cuatro tiemposSe denominamotor de cuatro tiemposalmotor de combustin interna alternativotanto deciclo Ottocomociclo del disel, que precisa cuatro carreras delpistn o mbolo(dos vueltas completas delcigeal) para completar el ciclo termodinmico de combustin. Estos cuatro tiempos son:

RendimientoEl rendimiento de un ciclo Otto ideal con una razn de compresin de 8 es

Cuando se tiene en cuenta que la capacidad calorfica vara con la temperatura, resulta un valor inferior para el rendimiento, en torno al 52%Trabajo netoEl trabajo neto (por unidad de masa) lo podemos obtener conocidos el calor que entra y el rendimiento del ciclo

No obstante, podemos desglosar el clculo, hallando cunto cuesta comprimir el aire, y cuanto trabajo devuelve el gas en la expansin.El trabajo de compresin por unidad de masa es

y el devuelto en la expansin

La temperatura en el punto D no la conocemos, pero la podemos calcular sabiendo que los puntos C y D estn unidos por una adiabtica

y resulta un trabajo de expansin

El trabajo neto, igual al que desarrolla el gas, menos lo que cuesta comprimirlo es

Intercambio de calorDe los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos adiabticos AB y CD, por definicin. S se intercambia en los dos procesos iscoros. En la ignicin de la mezcla BC, una cierta cantidad de calorQc(procedente de la energa interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a volumen constante, el calor coincide con el aumento de la energa interna

El subndice "c" viene de que este calor se intercambia con un supuesto fococaliente. En la expulsin de los gases DA el aire sale a una temperatura mayor que a la entrada, liberando posteriormente un calor|Qf|al ambiente. En el modelo de sistema cerrado, en el que nos imaginamos que es el mismo aire el que se comprime una y otra vez en el motor, modelamos esto como que el calor|Qf|es liberado en el proceso DA, por enfriamiento. El valor absoluto viene de que, siendo un calor que sale del sistema al ambiente, su signo es negativo. Su valor, anlogamente al caso anterior, es

El subndice "f" viene de que este calor se cede a un focofro, que es el ambiente.