mono fico

1. 2013
"Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad
Alimentaria"
CICLOS TERMODINÁMICOS
CURSO
:
FÍSICO QUÍMICA
FACULTAD
:
INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS
PROFESOR
:
ALCÁNTARA MALCA, DANIEL
AULA
:
415-B
INTEGRANTES
:
CABRERA LUEY, MARTHA ALICIA
CÓDIGO
:
1130704
Lima – Perú
Abril-2013

2. CICLOS TERMODINÁMICOS
FISS-UTP
Contenido
1.
Ciclos termodinámicos ......................................................................................................... 2
1.1
Ciclo de Carnot ............................................................................................................... 5
1.3
Ciclo de Stirling ............................................................................................................ 12
1.4
Ciclo de Rankine........................................................................................................... 14
1.5
Ciclo Otto ........................................................................................................................ 16
1.6
Ciclo diésel..................................................................................................................... 17
1.7
Ciclo de refrigeración .................................................................................................. 18
1.8
Ciclo Brayton ................................................................................................................. 18
2.
Sistemas de absorción ....................................................................................................... 20
3.
Criterio de espontaneidad.................................................................................................. 20
4.
Aplicaciones .......................................................................................................................... 21
MOTOR DE 4 TIEMPOS ............................................................................................................... 23
MOTOR DE 2 TIEMPOS ............................................................................................................... 24
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA: ................................................................................................ 26
FÍSICO QUÍMICA
Página 1

3. CICLOS TERMODINÁMICOS
1.
FISS-UTP
Ciclos termodinámicos
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.
El primer principio en procesos cíclicos
El primer principio de la termodinámica establece que en todo sistema físico y para todo
proceso:
Siendo QyWrespectivamente el calor y el trabajo que entran en el sistema por su frontera
y Ula energía total del sistema, que incluye potencial, cinética y todo el resto que
englobamos en el concepto de energía interna.
Un proceso cíclico es uno en el que el estado
final es el mismo que el inicial, o que se repite
periódicamente. Los procesos cíclicos son la
base de todas las máquinas y motores, que
operan de forma periódica. En un proceso
cíclico la energía total al final del proceso es
la misma que al principio, por tratarse de una
función de estado. Por tanto:
Si desglosamos el calor y el trabajo entre lo
que entra y lo que sale:
nos queda:
lo que nos dice que en un proceso cíclico lo que entra es igual a lo que sale.
No todos los términos son no nulos en todas las ocasiones.
En un motor eléctrico ideal, por ejemplo, en el sistema (el motor) entra trabajo eléctrico y
sale trabajo mecánico, sin que haya calor implicado.
FÍSICO QUÍMICA
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4. CICLOS TERMODINÁMICOS
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En un motor real, la situación anterior no es posible. Siempre hay factores que disipan
energía en forma de calor como las resistencias eléctricas y el rozamiento. Esto provoca
que no salga tanto trabajo como el que entra, y una parte se escapa en forma de calor
disipado al ambiente. Para que fluya calor desde el sistema al ambiente, éste debe estar a
una temperatura más baja que el sistema (lo que es lo habitual, ya que en los motores se
alcanzan altas temperaturas). Por ello, el calor desechado va al “foco frío”.
Definimos entonces el rendimiento o eficiencia de una máquina, de manera general,
como:
que, en el caso de un motor eléctrico real sería:
En una estufa de resistencia, en cambio, todo el trabajo que entra sale en forma de calor.
El rendimiento de esta estufa sería
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5. CICLOS TERMODINÁMICOS
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Máquina térmica
El mismo principio anterior se puede aplicar a un dispositivo
que transforma calor en trabajo. Una máquina térmica es
un dispositivo que, operando de forma cíclica, toma de
calor de un foco caliente, realiza un cierto trabajo (parte del
cual se emplea en hacer funcionar la propia máquina) y
entrega calor de desecho a un foco frío, normalmente el
ambiente.
Máquina de vapor
El ejemplo característico de máquina térmica es la máquina de vapor, que se emplea en
la mayoría de las centrales eléctricas (sean estas térmicas, termo-solares o nucleares).
En la figura tenemos el esquema de una central nuclear, en el que la máquina de vapor
corresponde al ciclo etiquetado como “19”. En el ciclo, una bomba (21) se encarga de
enviar agua fría a alta presión hasta una caldera (6), donde es evaporada mediante un
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6. CICLOS TERMODINÁMICOS
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aporte externo de calor. En el caso de la central nuclear, este calor proviene de una
conducción de agua u otro fluido a muy altas temperaturas después de haber pasado por
el reactor (7). El vapor que sale de la caldera se hace pasar por una turbina que mueve al
generador eléctrico (9), el cual transmite la energía eléctrica la red. Una segunda turbina
(8) se encarga de mover la bomba, de manera que el ciclo se mantiene en funcionamiento
usando parte de la energía generada. El vapor enfriado tras pasar por la turbina es
enviado a un condensador, donde, en contacto con agua fría del exterior vuelve al estado
líquido (por esto las centrales nucleares deben estar junto a ríos o junto al mar, como en
el caso de Fukushima). Una vez licuado, el agua vuelve a entrar en la bomba,
reiniciándose el proceso.
Tenemos cuatro términos energéticos en este proceso:
El calor Qin proporcionado por el foco caliente, en este caso el agua proveniente
del reactor.
El calor Qout cedido al foco frío, que en este caso es el agua de ríos y mares, más
lo que se arroja a la atmósfera como vapor (20)
El trabajo Wout realizado por la turbina que mueve al generador eléctrico
El trabajo Win necesario para hacer funcionar la propia máquina
De acuerdo con el primer principio de la termodinámica, por tratarse de un proceso cíclico
la energía interna del sistema no cambia en un ciclo, y el trabajo neto equivale a la
diferencia entre el calor que entra y el calor que sale
1.1
Ciclo de Carnot
En el siglo XIX el ingeniero francés Nicolás 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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7. CICLOS TERMODINÁMICOS
FISS-UTP
Representado en un diagrama p-V se obtiene la siguiente figura:
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 W 1 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 el émbolo, 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.
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8. CICLOS TERMODINÁMICOS
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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 función
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.
Ejemplo 1:Una máquina térmica reversible con un rendimiento del 30% y cuyo foco frío
se encuentra a 107ºC, cede una cantidad de calor de 120 kcal a dicho foco frío durante
cada ciclo. Determina la temperatura y el calor cedido por el foco caliente.
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9. CICLOS TERMODINÁMICOS
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Ejemplo 2: Una máquina térmica se encuentra funcionando entre dos focos a 27ºC y
a 227ºC y tiene un rendimiento del 25% del máximo posible. Se repite el ciclo con una
frecuencia de 5 veces cada segundo, siendo su potencia 20 kW. Determina el trabajo
que se produce en cada ciclo y cuántas kcal/hora cede al foco frío.
Ejemplo 3: Un gas ideal diatómico (cv=5/2 R) se encuentra inicialmente a una
temperatura T1=27ºC, una presión P1=105 Pa y ocupa un volumen V1=0.4 m3. El gas
se expande adiabáticamente hasta ocupar un volumen V2=1,2 m3. Posteriormente se
comprime isotérmicamente hasta que su volumen es otra vez V1 y por último vuelve a
su estado inicial mediante una transformación isocora. Todas las transformaciones
son reversibles.
a)
b)
Dibuja el ciclo en un diagrama P-V. Calcula el número de moles del gas y la
presión y la temperatura después de la expansión adiabática.
Calcula la variación de energía interna, el trabajo y el calor en cada
transformación.
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10. CICLOS TERMODINÁMICOS
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11. CICLOS TERMODINÁMICOS
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Ejemplo 4: Un frigorífico que actúa según un ciclo de Carnot, funciona con 18 moles
de un gas ideal monoatómico, realizando ciclos de 2 s de duración. Las temperaturas
de los focos son 450 K y 150 K y consumiendo una potencia de 60 kW.
Se pide:a) Dibuja el ciclo en un diagrama p-V especificando las transformaciones que
lo componen. Calcula la eficiencia.
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12. CICLOS TERMODINÁMICOS
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b) Calcula el calor intercambiado en cada etapa y la relación entre los volúmenes en
la compresión isoterma.
c) Sabiendo que después de la expansión isoterma el volumen del gas es V3= 0.5 m3,
calcula la presión y el volumen después de la compresión adiabática.
1.2
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, el ciclo Ericsson admite regeneración,
de forma que el calor liberado en el enfriamiento se reutiliza en el calentamiento, de
manera que el único calor absorbido se produce a la temperatura del foco caliente y
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13. CICLOS TERMODINÁMICOS
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el único calor cedido a la del foco frío. Si tiene regeneración, la resistencia de un ciclo
Ericsson ideal es también la misma que la de una máquina de Carnot.
tal como se puede observar en la figura adjunta:
1.3
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:
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14. CICLOS TERMODINÁMICOS
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En su versión más simple, este ciclo está formado por cuatro pasos:
A→B Se comprime el gas de forma. Esto corresponde a un tramo de hipérbola
correspondiente a la temperatura indicada.
B→C Se calienta el gas manteniendo fijado su volumen. Gráficamente, es una
línea vertical entre las dos isotermas.
C→D Se expande el gas a temperatura constante hasta que vuelve a su volumen
inicial. Otro arco de hipérbola ahora recorrido hacia volúmenes crecientes.
D→A Se enfría el gas manteniendo constante su volumen hasta que su
temperatura vuelve a ser la inicial. Es un tramo vertical hacia abajo, cerrando el
ciclo.
Un refinamiento del ciclo de Stirling es el siguiente. El calor que es liberado en el foco frío
no puede reutilizarse para calentar el gas en el foco caliente, ya que ello supondría un
flujo de calor del foco frío al caliente, lo que va en contra del segundo principio de la
termodinámica. Sin embargo, no ocurre lo mismo con el gas liberado en el enfriamiento
isócoro. En este caso, el gas pasa por todas las temperaturas entre digamos 1200 K y
300 K, cediendo calor gradualmente. En el calentamiento isócoro ocurre el proceso
inverso: el gas pasa gradualmente desde los 300 K a los 1200 K, absorbiendo calor. En
principio, el calor liberado en el enfriamiento puede reutilizarse en el calentamiento. El
calor liberado cuando el gas pasa por 500 K en la bajada se entrega a otra cámara en la
cual hay gas a 500 K en la subida. Puesto que las dos temperaturas son iguales, no se
viola el segundo principio de la termodinámica. Este proceso se denomina regeneración y
se consigue mediante un intercambiador de calor.
En un ciclo de Stirling con regeneración, todo el calor se absorbe a la temperatura del
foco caliente, TC, y todo el calor se cede a la temperatura del foco frío, TF. Por ello, su
rendimiento es el mismo que el de una máquina de Carnot que opere entre las
temperaturas extremas
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15. CICLOS TERMODINÁMICOS
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Un ciclo de Stirling real dista mucho de este modelo. Una medida de la evolución de la
presión y la temperatura en un motor de Stirling produce figuras mucho más suavizadas
en las que la forma del ciclo es aproximadamente elíptica.
1.4
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.
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.
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16. CICLOS TERMODINÁMICOS
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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.
Analicemos más despacio las etapas del ciclo:
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.
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17. CICLOS TERMODINÁMICOS
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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.
1.5
Ciclo Otto
El ciclo Otto es el modelo ideal que se emplea para describir los motores de combustión
interna en los cuales la combustión se inicia por una chispa. Esto ocurre en los motores
de cuatro tiempos de los vehículos de gasolina y en los de dos tiempos de ciclomotores,
segadoras y similares.
En un motor de este tipo, en un cilindro se produce una compresión muy rápida de una
mezcla de aire en el que se ha inyectado gasolina. Cuando el émbolo llega a su punto
más alto, salta una chispa de una bujía que hace explotar la gasolina y empuja al pistón
hacia abajo.
En el modelo matemático de este ciclo se supone que la compresión y la expansión son
tan rápidas que a la mezcla no le da tiempo a intercambiar calor con el ambiente y por
tanto son procesos adiabáticos. La explosión se modela como un calentamiento a
volumen constante, ya que al estar el pistón en su punto más alto, su velocidad se anula
justo en ese instante y el volumen cambia poco durante la explosión.
En el escape, los cases son expulsados de la cámara y sustituidos por mezcla nueva.
realmente, se trata de un sistema abierto, pero se modela como si fuera el mismo aire que
se ha enfriado cuando el émbolo estaba en su punto más bajo, lo que corresponde a otro
procesos a volumen constante.
El ciclo Otto ideal, por tanto, está formado por dos adiabáticas y dos isócoras.
En el punto a la mezcla de nafta y aire ya
está en el cilindro.
AB: contracción adiabática.
CD: expansión adiabática.
BC: calentamiento isocórico.
AD: enfriamiento isocórico.
R: relación de compresión.
Cp: calor específico a presión constante
Cv: calor específico a volumen constante
γ = Cp/Cv (Sears 419 - Tabla 18.1)
η = 1 - 1/R(γ - 1)
Para un R = 8, y un γ = 1,4 (aire),
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18. CICLOS TERMODINÁMICOS
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η = 0,56
1.6
Ciclo diésel
Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un
motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolina la combustión
no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar,
aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el aire es comprimido hasta una
temperatura superior a la de autoignición del gasóleo y el combustible es inyectado a
presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla.
Puesto que sólo se comprime aire, la relación de compresión (cociente entre el volumen
en el punto más bajo y el más alto del pistón) puede ser mucho más alta que la de un
motor de gasolina (que tiene un límite, por ser indeseable la autoignición de la mezcla). La
relación de compresión de un motor diésel puede oscilar entre 12 y 24, mientras que el de
gasolina puede rondar un valor de 8.
En el modelo de un ciclo Diésel ideal, la única diferencia con el ciclo Otto ideal es que el
calentamiento por la combustión no se produce a volumen constante, sino a presión
constante. La razón es que en ese momento la cámara está abierta, puesto que se está
inyectando el combustible, aunque su presión es por supuesto muy superior a la
atmosférica.
El gasoil se inyecta durante la carrera ab.
ab: contracción adiabática.
cd: expansión adiabáticas.
ad: enfriamiento isocórico.
bc: expansión y calentamiento isobárica.
R: relación de compresión.
Cp: calor específico a presión constante
Cv: calor específico a volumen constante
γ = Cp/Cv (Sears 419 - Tabla 18.1)
η = 1 - 1/R( γ - 1)
Para un R = 15-20, y un γ = 1,4 (aire),
η = 0,65-0,70
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19. CICLOS TERMODINÁMICOS
1.7
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Ciclo de refrigeración
Los sistemas de compresión emplean cuatro elementos en el ciclo de refrigeración:
compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador.
En el evaporador, el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio que está
enfriando y de su contenido.
A continuación, el vapor pasa a un compresor movido por un motor que incrementa su
presión, lo que aumenta su temperatura (entrega trabajo al sistema).
El gas sobrecalentado a alta presión se transforma posteriormente en líquido en un
condensador refrigerado por aire o agua.
Después del condensador, el líquido pasa por una válvula de expansión, donde su
presión y temperatura se reducen hasta alcanzar las condiciones que existen en el
evaporador.
QH = QC - L ⇒L = QC-QH
η = - QC /L ⇒ - QC/(QC-QH)
1.8
Ciclo Brayton
El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los
utilizados en las aeronaves.
FÍSICO QUÍMICA
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20. CICLOS TERMODINÁMICOS
FISS-UTP
En este proceso se produce una admisión de aire frío desde el exterior Este aire es
conducido hacia la cámara de combustión, donde se inyecta combustible, que calienta el
aire de la cámara. Al expandirse, mueve la turbina y finalmente es expulsado al exterior.
Dado que la compresión y la expansión son procesos muy rápidos, se modelan como
adiabáticas, ya que el aire no tiene tiempo de intercambiar calor. La combustión, como en
el caso del ciclo Diésel, se produce por inyección desde el exterior, lo que se modela
como un proceso a presión constante.
En el escape, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al
exterior, situado a la presión atmosférica, como el de la entrada. Técnicamente, este es
un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la
turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la
aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente
cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama p-V esto
corresponde a un enfriamiento a presión constante.
Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y
solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton
ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto.
El rendimiento de un ciclo Brayton ideal es
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21. CICLOS TERMODINÁMICOS
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Siendo r = pB/ pAla relación de presiónigual al cociente entre la presión al final del proceso
de compresión y al inicio de él.
2.
Sistemas de absorción
Algunos refrigeradores domésticos funcionan mediante el principio de absorción. En ellos,
una llama de gas calienta una disolución concentrada de amoníaco en agua en un
recipiente llamado generador, y el amoníaco se desprende en forma de vapor y pasa a un
condensador. Allí se licúa y fluye hacia el evaporador, igual que en el sistema de
compresión. Sin embargo, en lugar de pasar a un compresor al salir del evaporador, el
amoníaco gaseoso se reabsorbe en la solución diluida y parcialmente enfriada
procedente del generador, para formar de nuevo una disolución concentrada de
amoníaco. Este proceso de reabsorción se produce en un recipiente llamado absorbedor,
desde donde el líquido concentrado fluye de vuelta al generador para completar el ciclo.
3.
Criterio de espontaneidad
Al pasar a un estado de menor entalpía, se desprende energía en forma de calor en el
proceso, y ΔH es negativo.
Por otro lado, cuando aumenta el desorden, aumenta la entropía, con lo que ΔS es
positivo y -TΔS será negativo. Por tanto ΔG, que es ΔH - TΔS, será negativo.
En resumen, se puede tomar como criterio de espontaneidad que para que un proceso
sea espontáneo, su ΔG ha de ser negativo, ΔG<0, es decir, la energía libre del sistema
debe disminuir.
Evidentemente, cuando ΔG sea positivo el proceso no puede producirse de forma
espontánea, y lo que ocurrirá espontáneamente es el proceso inverso.
En el caso de que ΔG = 0 el sistema ha alcanzado un estado de equilibrio, y no
evoluciona (sus propiedades no cambian a lo largo del tiempo).
FÍSICO QUÍMICA
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22. CICLOS TERMODINÁMICOS
FISS-UTP
Al observarse la tabla siguiente se pueden dar cuatro casos diferentes, según sean
positivos o negativos los valores de ΔH y ΔS, de manera que en unos casos ΔG es
positivo y en otros negativo.
El caso 1 siempre es espontáneo, ya que los factores energético y entrópico son
favorables (disminuye la energía química y aumenta el desorden). Por el contrario, el
caso 4 no es espontáneo nunca, ya que los dos factores son contrarios. Sin embargo, en
los casos 2 y 3 uno de los factores es favorable y el otro contrario, por lo que el hecho de
que el proceso sea espontáneo o no depende del valor de la temperatura, como verás
más adelante.
ΔG y grado de reacción
Si una reacción tiene un valor de ΔG de -10000 kJ, muy negativo, parece obvio afirmar
que será espontánea. Y si otra tiene un ΔG de 8000 kJ, valor muy positivo, será lógico
pensar que no será espontánea, y que, en consecuencia, no se producirá.
Pero ¿y si ΔG es 0,1 kJ? ¿ó -0,1 kJ? ¿En el primer caso no se realizará y en el segundo
sí, cuando la diferencia entre ambos valores es de solamente 0,2 kJ?
En realidad, que un proceso sea espontáneo ó no espontáneo no quiere decir que haya o
no haya reacción. Siendo α el grado de reacción, (el porcentaje de reactivos que
reacciona), cuanto más negativo sea ΔG de una reacción dada, mayor será el grado
de reacción. Es decir, si un proceso no es espontáneo no significa que no se produzca,
sino que el grado de reacción es pequeño.
4.
Aplicaciones
El estudio del carácter térmico y de la espontaneidad de los procesos tiene muchas
aplicaciones en la vida diaria.
Algunas de ellas.
Máquinas térmicas
Son aparatos que mediante el intercambio de energía entre dos focos
permiten la realización de trabajo.
En la imagen se extraen Q1 unidades de energía del foco caliente, a
T1, y se ceden Q2 unidades al foco frío, a T2. El trabajo realizado es
la diferencia entre ambos calores (W=Q1-Q2).
FÍSICO QUÍMICA
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23. CICLOS TERMODINÁMICOS
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Procesos biológicos
La fotosíntesis es el proceso natural en el que las plantas sintetizan glucosa a partir del
CO2 y del vapor de agua que hay en el aire:
6 CO2(g) + 6 H2O(g) → C6H12O6(s) + 6 O2(g)
Fíjate en que además se libera oxígeno a partir del dióxido de carbono, por lo que las
plantas regulan la cantidad de ambos gases en la atmósfera.
Se trata de un proceso endotérmico, en el que se necesitan 1875 kJ por mol de glucosa.
Además, la entropía disminuye (a partir de 12 moles de gas se obtienen 6 de gas y uno
de sólido), por lo que el proceso no es espontáneo, y es la energía solar la que permite la
realización de este proceso.
Reservas de combustibles
Los procesos de combustión son muy espontáneos, pero no se observan: un trozo de
carbón no se quema aun estando en contacto con el oxígeno del aire. ¡Pero es un
proceso muy exotérmico y con un gran aumento de entropía!
¿Por qué no se quema la madera? En realidad se está quemando, pero a velocidad tan
pequeña que resulta inapreciable: para que los reactivos se transformen en productos
deben superar una barrera de energía o energía de activación, lo que necesita el aporte
de un poco de energía: llama, chispa eléctrica, frotamiento. Una muy pequeña parte de la
energía desprendida sirve para auto-mantener el proceso y el resto se libera en forma de
calor.
La existencia de barreras de energía en los procesos de combustión es absolutamente
fundamental, ya que permite la existencia de reservas energéticas, al no quemarse los
combustibles hasta que se provoca el inicio de la reacción.
Es decir, una cosa es que un proceso sea espontáneo y otra muy distinta que sea rápido.
En el tema siguiente estudiarás la velocidad de las reacciones y profundizarás en las
barreras de energía.
La degradación de la energía
El significado energético de la entropía es muy importante, ya que es una medida de la
cantidad de energía que no se puede extraer de un sistema: al aumentar la entropía, la
energía está menos concentrada (o más distribuida), por lo que resulta más difícil
extraerla para utilizarla.
La entropía determina la proporción de energía que no puede liberarse. Éste es el gran
problema de la sociedad actual, ya que las fuentes de energía se van agotando. Pero
¿por qué es un problema si la energía total del Universo permanece constante? Porque
cada vez aumentando la proporción de energía que no resulta útil, ya que no se puede
liberar. Es decir, la energía se va degradando a formas de mayor entropía.
Un trozo de carbón se quema, y la energía de los productos es la misma que la que
tenían el trozo de carbón y el oxígeno que han reaccionado, pero es mucho más difícil
extraerla de ellos para volverla a utilizar.
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24. CICLOS TERMODINÁMICOS
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MOTOR DE 4 TIEMPOS
Un motor de combustión interna es básicamente una máquina que mezcla oxígeno con
combustible gasificado. Una vez mezclados íntimamente y confinados en un espacio
denominado cámara de combustión, los gases son encendidos para quemarse
(combustión).
Debido a su diseño, el motor, utiliza el calor generado por la combustión, como energía
para producir el movimiento giratorio que conocemos.
Motor a Gasolina o Alcohol
En la figura que aparece más abajo se puede apreciar el funcionamiento del motor de 4
tiempos.
1er tiempo:
carrera de admisión. Se abre la válvula de admisión, el pistón baja y el
cilindro se llena de aire mezclado con combustible.
2do tiempo:
carrera de compresión. Se cierra la válvula de admisión, el pistón sube y
comprime la mezcla de aire/gasolina.
3er tiempo:
carrera de expansión. Se enciende la mezcla comprimida y el calor
generado por la combustión expande los gases que ejercen presión sobre el pistón.
4to tiempo:
carrera de escape. Se abre la válvula de escape, el pistón se desplaza
hacia el punto muerto superior, expulsando los gases quemados.
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25. CICLOS TERMODINÁMICOS
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MOTOR DE 2 TIEMPOS
El motor de 2 tiempos es, junto al motor de 4 tiempos, un motor de combustión interna
con un ciclo de cuatro fases de admisión, compresión, combustión y escape, como el 4
tiempos, pero realizadas todas ellas en sólo 2 tiempos, es decir, en dos movimientos del
pistón.
En un motor 2 tiempos se produceuna explosión por cada vuelta de cigüeñalmientras
que en un motor 4 tiempos se produce una explosión por cada dos vueltas de cigüeñal, lo
que significa quea misma cilindrada se genera mayor potencia, pero también unmayor
consumo de combustible.
Los motores 2 tiempos han ido siendo sustituidos por los 4 tiempos dado su carácter
más contaminante y en motos sólo lo encontramos hoy día en ciclomotores de motores
pequeños y en algunas motos de enduro o motocross. Un motor 2 tiempos es más
sencillo y ligero que un 4 tiempos ya que está compuesto por menos piezas,
originariamente no utiliza válvulas de admisión y de escape, son más económicos de
fabricar y requieren un menor mantenimiento, pero su mayor régimen de giro les provoca
sin embargo un mayor desgaste.
La lubricación de un motor 2 tiempos va incluida en la mezcla y junto a la gasolina y el
airese añade aceite, de ahí que al ser quemado sea mucho menos respetuoso con el
medio ambiente. Así pues el cárter del cigüeñal está sellado ya que alberga la entrada de
la mezcla y las dos caras del pistón entran en acción, la superior para comprimir la
mezcla y la inferior para provocar su admisión al cárter.
Estos son los pasos de un ciclo 2 tiempos.
Tiempo 1: ADMISIÓN - COMPRESIÓN
En un motor 2 tiempos es el propio pistón el que, con su movimiento, abre la admisión
de la mezcla, a la altura del cárter, y el escape de los gases quemados, a la altura de la
cámara de combustión.
FÍSICO QUÍMICA
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26. CICLOS TERMODINÁMICOS
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La admisión y la compresión se realizan al mismo tiempo. En el tiempo 1 el pistón va de
abajo a arriba, es decir, desde el cárter hacia la culata. En su desplazamiento succiona la
mezcla de gasolina, aire y aceite en su parte inferior, mientras que simultáneamente se
encarga de comprimir la mezcla de la admisión anterior en la parte superior.
Tiempo 2: COMBUSTIÓN - ESCAPE
El segundo tiempo comienza con el pistón situado en su punto muerto superior,
comprimiendo al máximo la mezcla de gasolina, aire y aceite, lo que hace chocar sus
moléculas más rápidamente y aumentar considerablemente la temperatura de la mezcla.
Es en ese momento cuandola bujía genera una chispa que incendia
lamezclaprovocando su combustión. Esta explosión hace mover violentamente el pistón
hacia abajo, transmitiendo el movimiento al cigüeñal a través de la biela, y con ese
movimiento deja abierto el escape por donde son liberados los gases recién quemados.
Pero hay más, en ese movimiento descendiente el pistón empuja la mezcla nueva que
había entrado en su anterior subida, yal bajar transfiere la mezcla del cárter a la
cámara de combustión, preparando así el proceso para volver a comenzar de nuevo en
el primer tiempo anteriormente descrito.
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27. CICLOS TERMODINÁMICOS
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REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA:
fisicanet , 22/04/2013, ciclos termodinámicos,
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap07_ciclos_termicos.php#.UXN_
Z7VhV14
Plataforma e-ducativa aragonesa, Ciclos termodinámico, 22/04/2013, http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//4750/4931/html/6_ciclos_t
ermodinmicos.html
Laplace, departamento de física Aplicada III, universidad de Sevilla, 22/04/2013,
http://laplace.us.es/wiki/index.php/M%C3%A1quinas_t%C3%A9rmicas_(GIE)#M.C3.A1qui
nas_reversibles
FÍSICO QUÍMICA
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