Ciclos Termodinámicos

Ciclo de Carnot Este ciclo se compone de cuatros procesos reversibles los cuales son: Dos procesos isotérmicos Dos procesos adiabáticos Estos se dan en un sistema cerrado o como un fluido estacionario (en cilindro- embolo adiabático)

Proceso 1-2, expansión isotérmica reversible: inicialmente la temperatura del gas y la cabeza del cilindro están en contacto a una temperatura, cuando el gas se expande lentamente y da como resultado un trabajo. Como la diferencia de temperaturas del gas y el nunca exceden una cantidan diferencial de temperatura se le conoce como proceso reversible de calor. Procesos 2-3, expansión adiabática reversible: En el estado 2, el deposito que se mantuvo en contacto con la cabeza del cilindro se elimina y se reemplazan por aislamiento para que el sistema se vuelva adiabático y el gas continua expandiéndose lentamente realizando un trabajo hasta que la temperatura disminuye. Proceso 3-4, compresión isotérmica reversible: En este estado se retira el aislamiento de la cabeza del cilindro y se pone a este en contacto con un sumidero a una temperatura constante, despues se produce una fuerza que empuja al cilindro hacia el interior, realizando trabajo sobre el gas, a medida que este gas se comprime su temperatura se incrementa, pero tan pronto como aumente esta el calor se transfieres desde el gas hasta el sumidero llegando al estado 4. Proceso 4-1, compresión adiabática reversible: Cuando se elimina el deposito de baja temperatura se coloca un aislamiento sobre la cabeza del cilindro comprimiendo al gas de una manera reversible por lo que vuelve a si estado inicial.

Ciclo de Otto Este es un ciclo ideal para maquinas de encendido por chispa, en la mayoría de las maquinas de encendido por chispa el embolo ejecuta cuatro tiempos completos ( dos ciclos mecánicos) dentro del cilindro y el cigüeñal da dos revoluciones por cada ciclo termodinámico por lo que son llamadas maquinas de combustión interna de cuatro tiempos.

Las fases de operación de este motor son las siguientes: Admisión (1): El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A. Compresión (2): El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. Combustión Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible.

Expansión (3): La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D. Escape (4) Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

CICLO DIESEL Es el ciclo ideal para las maquinas de encendido por comprensión, (conocidos como motores diesel), esto se debe a la mezcla de aire y de combustible que se comprimen hasta tener una temperatura inferior a la temperatura de auto-encendido del combustible, y el proceso de combustión se inicia al encender una bujía.

Admisión E→A El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal. Compresión A→B El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. Combustión B→C Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto.

Expansión C→D La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible. Escape D→A y A→E Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

Ciclo Brayton Se utiliza turbinas de gas donde los procesos tanto de combustión como de expansión suceden en una maquina rotatoria, consiste en introducir aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor dando como resultado que su presión y la temperatura aumente ese aire sigue hacia la cámara de combustion donde el combustible se que a combustión constante. Los gases que entran a la turbina se expanden hasta alcanzar la presión atmosférica, esto provoca que sean expulsados afuera de ese ciclo.

El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, que esta integrado por cuatro proceso internamente reversibles: 1-2 compresión isotrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a P=constante 3-4 Expansión isotrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a P=constante

Ciclo de refrigeración En el ciclo de refrigeración los procesos de compresión y expansión se desviaran de los isentrópicos haciendo que el intercambio de calor sea infinitamente largo. El ciclo de refrigeración se desvía del ciclo de Carnot debido a que los procesos de transferencia de calor no son isotérmicos dado que la temperatura varia durante ese proceso. Su medio para que sea un ciclo de refrigeración para un ciclo de gas ideal se debe a su trabajo.

Expansión Al principio, el refrigerante está en estado líquido y a una temperatura y presión alta; éste fluye del receptor hacia el control del flujo del refrigerante. La presión del líquido se reduce a la presión del evaporador cuando este líquido pasa por el control de flujo de refrigerante, de tal forma que la temperatura de saturación del refrigerante que entra en el evaporador es inferior a la temperatura del ambiente refrigerado. Una parte del líquido se evapora al pasar por el control del refrigerante para reducir la temperatura del líquido hasta la temperatura de evaporización. Evaporación En el evaporador, el líquido se evapora a una temperatura y presión constante, mientras el calor necesario para el suministro de calor latente de evaporación pasa de las paredes del evaporador hacia el líquido que se evapora. Todo el refrigerante se evapora en el evaporador .

Compresión Por la acción del compresor, el vapor que resulta de la evaporación se lleva por la línea de aspiración desde el evaporador hacia la entrada de aspiración del compresor. En dicho compresor, la temperatura y presión del vapor aumenta debido a la compresión. El vapor de alta temperatura se descarga del compresor en la línea de descarga. Condensación El vapor fluye por la línea de descarga hacia el condensador donde evacua calor hacia el aire relativamente frío que el ventilador del condensador hace circular a través del condensador. Cuando el vapor caliente evacua calor hacia el aire más frío, su temperatura se reduce a la nueva temperatura de saturación que corresponde a la nueva presión y el vapor se condensa, volviendo al estado líquido. Antes de que el refrigerante alcance el fondo del condensador se condensa todo el vapor y luego se subenfria. A continuación el líquido subenfriado pasa al receptor y queda listo para volver a circular.