CICLO DE CARNOT DIRECTO. CICLOS TERMODINAMICOS Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de.

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1 CICLO DE CARNOT DIRECTO

2 CICLOS TERMODINAMICOS 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 sea nula.

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4 PRINCIPALES CICLOS.

5 CICLO DE BRAYTON Modela el comportamiento ideal de una turbina a gas (normalmente aire). Aunque es un ciclo de potencia de combustión interna abierto (los gases de salida no se reutilizan normalmente), es conveniente, para el análisis termodinámico, suponer que los gases de escape son reutilizados en el ingreso, permitiendo el análisis como ciclo cerrado.

6 DESCRIPCION DEL CICLO Admisión El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina Compresor El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A → B Cámara de combustión En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B → C.

7 Turbina El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C → D. Escape Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior.

8 CICLO DE STIRLING  El ciclo de Stirling es un ejemplo, como el ciclo de Carnot, de ciclo completamente reversible y que por tanto alcanza el máximo rendimiento que permite el Segundo Principio de la Termodinámica.

9 CICLO DE 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.

10 DESCRIPCION DEL CICLO  1‐2. Calentamiento sensible adiabático del líquido (Tf  Tc) por compresión. Requiere bomba o compresor.  2‐3: Calentamiento isobárico del líquido hasta convertirlo en vapor saturado. Requiere de una fuente de calor externa. (Vaporización)  3‐4: Expansión adiabática del vapor saturado en la turbina, con generación de potencia. La temperatura y la presión bajan y aparece condensación. (Enfriamiento sensible Tc  Tf y de cambio de fase por condensación)  4‐1: Condensación isoterma del vapor hasta la saturación. El vapor se convierte en líquido saturado.

11 CICLO DE CARNOT El ciclo de motor térmico más eficiente es el ciclo de Carnot, consistente en dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. El ciclo de Carnot se puede considerar como, el ciclo de motor térmico más eficiente permitido por las leyes físicas. Mientras que la segunda ley de la termodinámica dice que no todo el calor suministrado a un motor térmico, se puede usar para producir trabajo, la eficiencia de Carnot establece el valor límite de la fracción de calor que se puede usar. Con el fin de acercarse a la eficiencia de Carnot, los procesos que intervienen en el ciclo del motor de calor deben ser reversibles y no implican cambios en la entropía. Esto significa que el ciclo de Carnot es una idealización, ya que no hay procesos de motores reales que sean reversibles y todos los procesos físicos reales implican un cierto aumento de la entropía.

12 PROCESOS  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 Qc 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  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.

13  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.

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15 REPRESENTACION EN UN DIAGRAMA T-S

16 RENDIMIENTO DE UN CICLO DE CARNOT

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20 VALORES TIPICOS

21 APLICACIONES DEL CICLO DE CARNOT  MAQUINA TERMICA

22  Máquina de vapor

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24 HISTORIA MAQUINAS TERMICAS

25 Eolípila de Herón  Las máquinas térmicas, son máquinas que transforman el calor en trabajo. la primera máquina de este tipo fue una turbina de vapor primitiva que se atribuye a Herón de Alejandría (siglo I). Este juguete ingenioso, consistía en una caldera de vapor de agua, conectada a una esfera hueca de metal provista de dos tubos acodados, de tal manera que al ser expelido el vapor, la esfera comenzaba a girar.

26 Pistón de Papin  Este invento no tuvo ninguna aplicación práctica y no fue sino hasta 1690, cuando Denis Papin, desarrolló un pistón que se movía dentro de un cilindro impulsado por vapor de agua. El pistón se eleva impulsado por el vapor y posteriormente, al enfriar el cilindro, el vapor se condensa produciendo un vacío que hace que el pistón descienda.

27 Máquina de Savery  La idea de Papin fue puesta en práctica por Thomas Savery en 1698, al patentar la primera máquina de vapor que encontró un uso considerable en la extracción de agua de las minas de carbón y en la distribución de agua para casas habitación. Su funcionamiento consiste esencialmente en inyectar vapor a un recipiente lleno de agua, hasta vaciar su contenido por un tubo colocado en la parte superior, controlado por una válvula. Cuando el recipiente se vacía, cesa el suministro de vapor y el vapor remanente se condensa por medio de un chorro de agua fría, lo que provoca un vacío y permite que un tubo inferior, aspire agua del pozo

28 Máquina de Newcomen  La máquina de Savery fue subsecuentemente modificada de diversas maneras, todas ellas destinadas a mejorar la cantidad de agua y la altura a la que ésta podía elevarse. En 1705 Newcomen y Cawler, mejoraron la operación del pistón al forzar su caída por la acción de la presión atmosférica. Al hacerlo realizaba trabajo mecánico sobre una bomba que introducía el agua que se extraía

29 ¿QUÉ ES UNA MÁQUINA TÉRMICA?  Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía volumen el específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes.

30 EFECTO JOULE- THOMSON  El efecto de Joule-Thomson o efecto Joule-Kelvin es el proceso en el cual la temperatura de un sistema disminuye o aumenta al permitir que el sistema se expanda libremente manteniendo la entalpía constante.  La relación entre temperatura, presión y volumen de un gas se puede describir de una forma sencilla gracias a las leyes de los gases. Cuando el volumen aumenta durante un proceso irreversible, las leyes de los gases no pueden determinar por sí solas qué ocurre con la temperatura y presión del gas. En general, cuando un gas se expande adiabáticamente, la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo de la presión y temperatura inicial. Para una presión constante (fijada previamente), un gas tendrá una temperatura de inversión de Joule-Thomson (Kelvin), sobre la cual al expandirse el gas causa un aumento de temperatura, y por debajo, la expansión del gas causa un enfriamiento. En la mayoría de los gases, a presión atmosférica esta temperatura es bastante alta, mucho mayor que la temperatura ambiental, y por ello la mayoría de los gases se enfrían al expandirse. El incremento de temperatura (ΔT) con respecto al incremento de presión (Δp) en un proceso de Joule-Thomson es el coeficiente de Joule- Thomson.

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