Ciclos termodinamicos

Entenderemos por Ciclo termodinámico cualquier proceso en que un sistema partiendo de un estado inicial, sufre una serie de transformaciones termodinámicas tras las cuales llega a un estado final que es igual al inicial.

En un ciclo termodinámico ΔU=0, o lo que es igual W=Q. Es decir el calor neto comunicado al sistema es igual al trabajo neto realizado por el mismo.

Este funcionamiento cíclico es la idea de partida de cualquier máquina térmica. Veremos a continuación los cuatro ciclos termodinámicos más importantes.

Ciclo de Carnot

En el siglo XIX el ingeniero francés Nicolas Carnot concibió, estudió y desarrolló un ciclo termodinámico, que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, en el:

• Se suministra al motor energía en forma de calor a temperatura elevada.
• La acción del calor permite realizar un trabajo mecánico al motor.
• El motor cede calor al foco de temperatura inferior.

El ciclo de Carnot es un ciclo teórico y reversible, su limitación es la capacidad que posee un sistema para convertir en calor el trabajo, se utiliza en las máquinas que usan vapor o una mezcla de combustible con aire u oxígeno.

Se dice que un proceso termodinámico es reversible, cuando acometiendo pequeños cambios en el ambiente podemos conseguir que recorra su trayectoria inversa. En la práctica es imposible, en la naturaleza todos los procesos que ocurren son irreversibles. Sin embargo el estudio de estos procesos es muy útil pues nos da el valor del rendimiento máximo que se puede obtener de una máquina.

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El ciclo se divide en cuatro etapas, cada una de las cuales se corresponde con una transformación termodinámica básica:

• Etapa A) Expansión isotérmica

En el gráfico es el paso del estado 1 al estado 2. Es un proceso isotermo y por ser un gas perfecto eso hace que la temperatura se mantenga constante T₁.

El gas se encuentra en un estado de equilibrio inicial representado por p₁, V₁, T₁, en el interior del cilindro. Se produce una expansión isotérmica entre 1 y 2, hasta alcanzar los valores p₂, V₂, T₁, el sistema realiza un trabajo W₁ positivo (aumenta el volumen, luego es un trabajo hecho por el sistema, trabajo positivo), comunicando energía al entorno, por otro lado como la variación de energía interna ha de ser cero, toma un calor del entorno equivalente Q₁:

• Etapa B) Expansión adiabática

Se parte del punto 2 y se llega al estado 3.

Por ser un proceso adiabático no hay transferencia de calor, el gas debe realizar un trabajo, elevando elémbolo, para lo que el cilindro debe estar aislado térmicamente, alcanzándose los valores p₃, V₃, T₂.

• Etapa C) Compresión isotérmica

Entre los estados 3 y 4, hasta alcanzar los valores p₄, V₄, T₂, siendo el trabajo realizado por el pistón. En este caso es un trabajo de compresión (negativo), se recibe energía del entorno en forma de trabajo y se cede una energía equivalente en forma de calor:

• Etapa D) Compresión adiabática

Entre los estados 4 y 1 cerrándose el ciclo.

Se alcanzan de nuevo los valores p₁, V₁, T₁ sin transferencia de calor con el exterior.

Consideramos ahora el efecto global del ciclo.

• El trabajo neto W realizado durante el ciclo por el sistema será el representado por la superficie encerrada en el trayecto 1-2-3-4-1.
• La cantidad neta de energía calorífica recibida por el sistema será la diferencia entre Q₂ y Q₁.

Para calcular el rendimiento de un ciclo de Carnot se emplea la misma expresión mencionada anteriormente:

En la práctica es mucho más difícil obtener los valores de los calores trasegados que los valores de la temperatura (en grados Kelvin) de los dos focos, que se conocen por la lectura de un termómetro, y se puede considerar que la transmisión de calor es proporcional a las temperaturas de ambos focos sin que se cometa un error apreciable (recuerda que son gases perfectos y que la variación de energía interna es fución exclusiva de la variación de temperatura) por lo que se puede escribir:

Y por lo tanto se puede expresar el rendimiento como:

El rendimiento de este tipo de máquinas será mayor cuanto mayor sea la diferencia entre las temperaturas del foco caliente T₁ y el foco frío T₂.

Existen otros ciclos termodinámicos que también poseen el rendimiento máximo aunque se utilizan mucho menos que el de Carnot.

Ciclo de Ericsson

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:

Imagen 15. ubu. Copyright.

Ciclo de Stirling

En este ciclo termodinámico el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones isocóricas (a volumen constante), tal como se puede observar en la figura adjunta:

Imagen 16. ubu. Copyright

 

Ciclo de Rankine

El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.

Imagen 17. blogspot. Copyrigh

La representación en diagrama p-V de ciclos en los que el fluido se vaporiza, presentan una diferencia con respecto a los ciclos de gas, ya que aparece una campana, llamada de cambio de fase.

A la izquierda corresponde al estado líquido, en el que prácticamente no hay modificaciones de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presión. Por ello las isotermas son prácticamente verticales.

A la derecha corresponde al estado vapor, aquí el fluido se comporta como un gas, y por ello las isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales.

Dentro de la campana, el fluido se está evaporando, y las isotermas son horizontales. Esto es así porqué dada una presión, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporación.

El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza valores tan elevados.

El ciclo de Rankine es en el que se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto con un componente desplazable llamado corredera que dirigía el vapor a un lado u otro del pistón.

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Analicemos más despacio las etapas del ciclo:

Imgaen 19. monografias. Copyright

• En la transformación 1-2 aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor, por medio de un compresor, con aportación de un trabajo mecánico externo.
• En la transformación 2-3 se aporta calor al fluido a presión constante en una caldera, con lo que se evapora todo el líquido elevándose la temperatura del vapor al máximo.
• La transformación 3-4 es una expansión adiabática, con lo que el vapor a alta presión realiza un trabajo en la turbina.
• La transformación 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presión constante en el condensador hasta volver a convertirlo en líquido, y comenzar de nuevo el ciclo.

Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos, para tratar de incrementar el área encerrada en el diagrama p-V.

• Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los gases que salen por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el área del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al ciclo.
• Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 haciéndolo pasar por la caldera y después por otra turbina de baja presión.