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• frank Morales

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4.1 CICLOS TERMODINÁMICOS IDEALES Para elaborar una teoría de una determinada máquina térmica, es necesario realizar una serie de simplificaciones y aproximaciones, de forma que el ciclo real se reduzca a procesos sencillos. La principal de estas simplificaciones consiste en suponer que los procesos son cuasiestáticos de forma que el sistema se encuentra siempre muy próximo al equilibrio. De esta forma, el ciclo puede representarse en un diagrama de estado. El ciclo termodinámico de la máquina vendrá en ese caso representado por una curva cerrada. En el caso de un diagrama pV se tratará de una curva recorrida en sentido horario. El área delimitada por esta curva es el trabajo neto realizado en el ciclo, que será coincidente (en valor absoluto) con el calor neto que entra en el sistema. El sustituir el proceso real por uno ideal es una aproximación que a menudo es muy mala, pero que posee la utilidad de funcionar como un referente, ya que en un proceso real el rendimiento es siempre inferior al de un ciclo ideal (por la presencia de rozamiento y otros factores disipativos). Por tanto, el ciclo ideal funciona como un límite al que aspirar. Si la teoría del ciclo ideal establece que el rendimiento máximo es de, por ejemplo, un 40%, sabemos que con un motor real nunca vamos a obtener más de esa cifra. Dado que en la expresión del rendimiento aparece no el calor neto sino el que entra y el que sale, para el cálculo del rendimiento se hace preciso analizar cada uno de los tramos que componen el ciclo y no basta con el cálculo del área.

4.2 “ 5 CICLOS MÁS IMPORTANTES” Entre los ciclos más importantes tenemos 

Ciclo Rankine, para máquinas de vapor.

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Ciclo Otto, que aproxima el comportamiento de los motores de explosión.

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Ciclo Diesel, para motores diésel.

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Ciclo Brayton (o Joule), que modela la conducta de una turbina de gas como las presentes en los motores de aviones o en las centrales de ciclo combinado.

Un ciclo ideal que sirve como referencia para el resto es el:

4.3 CICLO DE CARNOT

El teorema de Carnot establece que el rendimiento de una máquina térmica es siempre menor o igual que el de una máquina térmica reversible que opere entre las mismas temperaturas. Como corolario, el rendimiento de todas las máquinas térmicas reversibles que operen entre las mismas temperaturas es el mismo, independientemente del sistema físico que corresponda a la máquina. Puede ser un gas ideal sometido a compresiones o expansiones, puede ser un material paramagnético sometido a campos magnéticos variables, puede ser un sistema bifásico formado por agua y vapor de agua… el resultado es siempre el mismo. Este resultado, ya de por sí bastante contundente, nos permite además calcular el rendimiento máximo que puede tener una máquina térmica. Nos basta con diseñar una máquina térmica reversible y hallar su rendimiento. El de todas las demás reversibles será el mismo, y el de las irreversibles será menor. Existen varias posibilidades: el ciclo de Carnot, el ciclo Stirling o el ciclo Ericcson, por ejemplo. Aquí describiremos el ciclo de Carnot, que es el más importante de ellos.

Para conseguir la máxima eficiencia la máquina térmica que estamos diseñando debe tomar calor de un foco caliente, cuya temperatura es como máximo Tc y verter el calor de desecho en el foco frío, situado como mínimo a una temperatura Tf. Para que el ciclo sea óptimo, todo el calor absorbido debería tomarse a la temperatura máxima, y todo el calor de desecho, cederse a la temperatura mínima. Por ello, el ciclo que estamos buscando debe incluir dos procesos isotermos, uno de absorción de calor a Tc y uno de cesión a Tf. Para conectar esas dos isotermas (esto es, para calentar el sistema antes de la absorción y enfriarlo antes de la cesión), debemos incluir procesos que no supongan un intercambio de calor con el exterior (ya que todo el intercambio se produce en los procesos isotermos). La forma más sencilla de conseguir esto es mediante dos procesos adiabáticos reversibles (no es la única forma, el motor de Stirling utiliza otro método, la recirculación). Por tanto, nuestra máquina térmica debe constar de cuatro pasos:



C→D Absorción de calor Qin = Qc en un proceso isotermo a temperatura Tc.

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D→A Enfriamiento adiabático hasta la temperatura del foco frío, Tf.

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A→B Cesión de calor Qout = | Qf | al foco frío a temperatura Tf.



B→C Calentamiento adiabático desde la temperatura del foco frío, Tf a la temperatura del foco caliente, Tc.

4.4 COMO EJEMPLO Para Ciclo de Carnot consideraremos el caso de una máquina térmica compuesta por un gas ideal situado en el interior de un cilindro con un pistón. Para que el ciclo sea reversible debemos suponer que no existe fricción en el sistema y todos los procesos son cuasiestáticos.

Para un sistema de este tipo los cuatro pasos son los siguientes: 

Expansión isoterma C→D

El gas se pone en contacto con el foco caliente a Tc y se expande lentamente. Se extrae trabajo del sistema, lo que provocaría un enfriamiento a una

temperatura ligeramente inferior a Tc, que es compensado por la entrada de calor Qin desde el baño térmico. Puesto que la diferencia de temperaturas entre el baño y el gas es siempre diferencial, este proceso es reversible. De esta manera la temperatura permanece constante. En el diagrama pV, los puntos de este paso están sobre una hipérbola dada por la ley de los gases ideales.

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Expansión adiabática D→A

El gas se aísla térmicamente del exterior y se continúa expandiendo. Se está realizando un trabajo adicional, que ya no es compensado por la entrada de calor del exterior. El resultado es un enfriamiento según una curva dada por la ley de Poisson.



Compresión isoterma A→B

Una vez que ha alcanzado la temperatura del foco frío, el gas vuelve a ponerse en contacto con el exterior (que ahora es un baño a temperatura Tf). Al comprimirlo el gas tiende a calentarse ligeramente por encima de la temperatura ambiente, pero la permeabilidad de las paredes permite evacuar calor al exterior, de forma que la temperatura permanece constante. Esta paso es de nuevo una hipérbola según la lay de los gases ideales.

Compresión adiabática B→C El gas se vuelve a aislar térmicamente y se sigue comprimiendo. La temperatura sube como consecuencia del trabajo realizado sobre el gas, que se emplea en aumentar su energía interna. Los puntos de este camino están unidos por una curva dada por la ley de Poisson CICLO DE CARNOT

4.5 CICLO RANKINE El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s

El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor de alta presión sobrecalentado.

(1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):  Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.  Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.  Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.  Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión 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 pequeña en comparación y suele despreciarse).

CICLO TERMODINÁMICO

CICLO DE CARNOT

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Establece que el rendimiento de una máquina térmica es siempre menor o igual que el de una máquina térmica reversible que opere entre las mismas temperaturas.

VENTAJAS -Ahorro energético. -Aumento de control y calidad de vida. -Mayor iluminación natural. -Menor impacto medio ambiental asegurando el entorno menos contaminante. -Ventilaciones naturales que no secan el evitando el aire acondicionado, con el que se reducen las alergias astenias o jaquecas que estos pueden producir.

-Producen mucha energía.

CICLO RANKINE

Es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia.

-Producción de energía relativamente rentable. -Las cenizas producidas durante la combustión pueden usarse en la construcción.

DESVENTAJAS -Es impráctico utilizar el ciclo de Carnot con fluidos que sufran cambios en sus fases. -Es difícil comprimir isoentropicamente una mezcla con 2 fases. -El proceso de condensación tendría que controlarse con mucha. -Precisión para lograr al final las características deseadas en el estado. -La eficiencia se ve muy afectada por la temperatura T2 a la cual se suministra la energía. - Los gases producidos en la combustión contaminan la atmósfera - El agua usada para la refrigeración queda contaminada - En los procesos de limpieza de la central se producen muchos residuos - Uso de combustibles fósiles (no renovables)

APLICACIONES

-Ciertos refrigeradores -Maquinas térmicas

En las centrales térmicas de vapor, se utiliza la energía térmica del vapor de agua en una turbina de vapor para accionar el generador. La caldera de vapor consume a su vez combustibles convencionales, como petróleo, gas natural, hulla o lignito.

Un proceso cuasiestático se define como una idealización de un proceso real que se lleva a cabo de tal modo que el sistema está en todo momento muy cerca del estado de equilibrio, como un proceso que se realiza en un número muy grande de pasos, o que lleva mucho tiempo.