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• Heily Villanueva

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Se

denomina ciclo

termodinámico a

cualquier

serie

de procesos

termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regresa a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema se anula. En los procesos termodinámicos, las máquinas o motores térmicos convierten energía térmica en energía mecánica o viceversa. Según la teoría termodinámica, ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia superior a la del proceso reversible de Carnot, denominado también ciclo de Carnot. Ciclos termodinámicos 

El ciclo Bryton, que consiste en turbinas de vapor y motores de reacción.



El ciclo Otto, ampliamente utilizado en el sector de la automoción.



El ciclo Diesel, muy utilizado en navegación marítima, ferrocarriles y automóviles.

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El ciclo Sterling, muy parecido al ciclo ideal de Carnot, y que suele utilizar aire u otro gas como fluido de trabajo. Este ciclo también se emplea en el bombeo solar de agua.



El ciclo Ericsson, que utiliza aire caliente como fluido de trabajo y que está específicamente pensado para aplicaciones solares.



El ciclo Rankine.

EL CICLO BRAYTON, también

conocido

como ciclo

Joule o ciclo

Froude, es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática,

una

calentamiento isobárico y

una

etapa

de

expansión

adiabática

de

un fluido termodinámico compresible. Es uno de los

ciclos

termodinámicos

de

más

amplia

aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento – caso de las industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos, respectivamente–, hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.

EL CICLO OTTO 

El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado por una chispa eléctrica (motores de gasolina, etanol, gases derivados del petróleo u otras sustancias altamente volátiles e inflamables). Inventado por Nicolaus Otto en 1876, se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto creados por IO, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos. El ciclo de 4 tiempos consta de seis procesos, dos de los cuales (E-A y A-E) no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo: E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga). A-B: compresión de los gases e isoentrópica. B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil. C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo. D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante. A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga.)(isobárico). En motores de cuatro tiempos está conformado por seis procesos Admisión: La válvula de entrada o admisión está abierta y la de escape se encuentra cerrada. Compresión: Al momento que el pistón se ubica en el PMI, la válvula de admisión cierra y la de escape también se mantiene cerrada.

Explosión: Cuando la mezcla se encuentra totalmente comprimida y las válvulas están cerradas, una chispa se produce en la bujía y hace que la mezcla arda. Escape: Al volver el pistón al PMI, la válvula de escape se abre para que el pistón ascienda y libera fuera del cilindro los gases que resultan de la explosión. Esto permite que haya nuevamente aire limpio para comenzar el ciclo en la fase de admisión. Motores que trabajan a dos tiempos, el cambio de los gases es dirigido por el pistón y no por las válvulas.  1. Compresión y Aspiración: Un pistón ascendente comprime la mezcla de aire/combustible y aceite que está en el cilindro. De forma simultánea se crea vacío en el cárter y al finalizar la carrera del pistón queda libre una lumbrera de aspiración que llenará el cárter con la mezcla carburante. 2. Explosión y Escape de gases: Por medio de una chispa ocasionada por la bujía se prende la mezcla comprimida y se crea una explosión que empuja el pistón con fuerza hacia abajo. El ciclo Diesel El ciclo del motor diésel (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovación de la carga., y se asume que el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, 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 tracción ferroviaria son del ciclo de 2 tiempos diesel.

El ciclo de aire estándar diesel consiste de la siguiente secuencia de procesos internos reversibles: 1.   Compresión isentrópica 2.   Adición de calor a presión constante

3.   Expansión isentrópica Rechazo de calor de volumen constante Ciclo Sterling Es muy parecido al ciclo ideal de Carnot, y que suele utilizar aire u otro gas como fluido de trabajo. Este ciclo también se emplea en el bombeo solar de agua. Se trata de un ciclo altamente ideal cuya realización práctica, incluso en forma aproximada entraña serias dificultades. No obstante, en los últimos años ha adquirido relevancia con el desarrollo de motores de Stirling, que funcionan de manera aproximada según este ciclo.

Ciclo Ericsson Es considerado el autor de dos ciclos para motores térmicos de combustión externa y constructor de motores reales basados en los ciclos mencionados. Su primer ciclo era muy parecido al actualmente llamado ciclo Brayton (que es el que siguen las turbinas de gas), pero con combustión externa. El ciclo Ericsson fue ideado por el inventor John Ericsson, que proyectó y construyó varios motores de aire caliente basados en diferentes ciclos termodinámicos. Es considerado el autor de dos ciclos para motores térmicos de combustión externa y constructor de motores reales basados en los ciclos mencionados. En este ciclo termodinámico, también reversible y por tanto nos da el rendimiento máximo que se puede obtener de la máquina, el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotermas y dos isobáricas, tal como se puede observar en la figura adjunta:

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

Es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica).