LOS CICLOS TERMODINÁMICOS

1. División Ciencias de la Salud Biológicas y Ambientales
Programa: Energías Renovables
Tercer semestre
Bloque 1
Unidad 2
Asignatura: Termodinámica 2
Gabriel Sánchez López
Matrícula: ES1821016099
Actividad 1.

2. Ciclo de Carnot.
Utilizado para analizar el rendimiento de un motor. Se explica que, cuando se aplica una
cantidad de calor 𝑄 desde una fuente a alta temperatura y se expulsa calor 𝑄
hacia una fuente a baja temperatura, se produce un trabajo 𝑊. Esto se expresa con la
ecuación: 𝑾 = 𝑸 𝒆 − 𝑸 𝒔.
El ciclo consiste básicamente en dos transformaciones isotérmicas y dos
transformaciones adiabáticas
Sucede en cuatro etapas:
1. El calor entra al cilindro desde la fuente de alta temperatura, esto es 𝑇 . El calor
aplicado aumenta el volumen y la presión dentro del cilindro, de manera que el
calor transferido se convierte en trabajo.
2. Ocurre una expansión adiabática, en la cual no hay intercambio de calor con el
exterior, así disminuye la temperatura y se pierde presión.
3. El sistema entra en contacto con la fuente de calor a baja temperatura 𝑇 , de este
modo el gas se comprime sin aumentar su temperatura debido a que transfiere
calor a la fuente fría, de este modo no cambia la temperatura ni la energía interna.
En este proceso también ocurre trabajo sobre el sistema.
4. El sistema se mantiene aislado en tanto que se comprime, de esta manera
aumenta la temperatura hasta el estado inicial y la energía interna aumenta y se
produce un trabajo.

3. El ciclo de Carnot se puede representar en una gráfica p-V
Gráfica p-V del ciclo de Carnot. Fuente: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm
Donde:
El proceso A-B es isotérmico a la temperatura TA (1)
El proceso B-C es adiabático (2)
El proceso C-D es isotérmico a la temperatura TB (3)
El proceso D-A es adiabático. (4)
Gráfica T-S del ciclo de Carnot. Fuente: https://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_07/cap_07.htm

4. Ciclo de Otto
Este se aplica a los motores de combustión interna cuyo encendido es provocado por una
chispa eléctrica, en este ciclo el calor es aplicado a volumen constante.
Este ciclo se puede aplicar a dos tipos de motores:
 Motores de dos tiempos: en este tipo de motores ocurren dos procesos en el
cilindro:
Admisión-Compresión. En esta etapa el pistón alcanza el Punto Muerto Inferior y
comienza a desplazarse hacia el Punto Muerto Superior, lo que provoca una
diferencia de presión dentro del cilindro que aspira la mezcla de aire y gasolina
Expansión-Escape. En esta etapa los gases producidos por la mezcla de aire y
gasolina alcanzan altas presiones debido a que el pistón se encuentra en el Punto
Muerto Superior con lo que la mezcla se ha comprimido y encendido por una
chispa de la bujía, lo cual produce una liberación de energía que produce un
trabajo sobre el pistón.
 Motores de cuatro tiempos: en este tipo de motores, el ciclo de Otto se aplica con
mayor rendimiento. Básicamente consta de cuatro procesos, 2 procesos
adiabáticos y 2 procesos isocóricos:
1) Admisión. Se abre la válvula de admisión y se produce la admisión del aire y los
vapores del combustible al interior del cilindro a presión constante, el pistón se
mueve hacia abajo (0-1).
2) Compresión. Se cierra la válvula de admisión (la válvula de escape permanece
cerrada), se produce compresión de la mezcla desplazando el pistón hacia arriba
(1-2). Al final de esta etapa se produce la ignición del combustible a volumen
constante y aumenta la presión (2-3).
3) Combustión. Ocurre la expansión de los gases debido a la mezcla del aire y
combustible, esto ocurre tan rápido que no hay intercambio de calor con el
ambiente, por lo que se considera un proceso adiabático (3-4).
4) Escape. La válvula de escape se abre y libera presión, con lo cual el pistón es
desplazado hacia arriba. Como la caída de presión se produce bruscamente, se

5. considera que no hay intercambio de calor con el ambiente (4-1). Al final se
produce barrido de los gases desde el interior del cilindro (1-0)
Esto se representa en las gráficas p-V y T-S
Gráfica p-V del ciclo de Otto. Fuente: http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica2/U07.pdf
Gráfica T-S del ciclo de Otto. Fuente: http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica2/U07.pdf
El rendimiento térmico en este ciclo se determina por: 𝑸 𝟏 = 𝑪 𝒗(𝑻 𝟑 − 𝑻 𝟐)

6. Ciclo de Diésel
Es un proceso de combustión que se aplica en motores que no requieren ignición a partir
de una chispa eléctrica. En este proceso de combustión el aire se comprime hasta
alcanzar una temperatura mayor que la de autoignición, de este modo, el aire es
inyectado para propiciar la combustión de la mezcla.
El ciclo de Diésel se conforma de la siguiente manera:
1) Etapa de admisión. El cilindro cuenta con una válvula de admisión, la cual cuando
es abierta permite que baje el pistón admitiendo entrada de aire en la cámara, de
esta manera la cámara alcanza una presión igual al exterior, lo que se conoce
como expansión a presión constante (A-D).
2) Etapa de compresión adiabática. Ocurre cuando el pistón sube y comprime el aire,
este no alcanza a intercambiar calor con el ambiente. En un modelo ideal este
proceso es reversible (A-B).
3) Etapa de combustión. En esta etapa el inyector introduce combustible hacia la
cámara, esto lo hace en el momento en que el pistón llega a su punto más alto y
está apunto de bajar (B-C).
4) Etapa de expansión adiabática. La mezcla de aire y combustible produce un gas
que alcanza altas temperaturas, de esta manera se expande el gas y empuja el
pistón hacia abajo realizando trabajo. Este proceso se considera adiabático debido
a que ocurre muy rápido por lo que no hay intercambio de calor entre la cámara y
el exterior. En un modelo ideal este proceso es reversible (C-D).
5) Etapa de escape. Una vez que se cumple el ciclo, el gas es expulsado por medio
de la válvula de escape, empujado por el pistón y a una temperatura mayor que la
inicial. Nuevamente se abre la válvula de admisión para permitir el paso de aire
frío a la cámara y repetir el proceso (D-E).
El ciclo de Diésel se puede observar en la siguiente gráfica p-V:

7. Gráfica p-V del ciclo de Diésel. Fuente: http://www.ingenieriadepetroleo.com/ciclo-diesel-motor-diesel/
Gráfica T-S del ciclo de Diésel. Fuente: http://eribera_bo.tripod.com/ciclo_diesel.html

8. Ciclo de Brayton
Este ciclo consiste en presurizar el aire y calentarlo por medio de una fuente combustible,
de manera que se produce un gas a alta temperatura que pasa por una turbina que
aprovecha su energía para impulsar un compresor, la energía que queda se emplea para
hacer girar un generador eléctrico. Este ciclo es empleado principalmente en las
termoeléctricas.
El ciclo de Brayton se efectúa en cuatro pasos cuyos procesos se identificarán en gráficas
p-V y T-S.
1) Proceso 1-2. Se produce una compresión con una mínima pérdida de calor del
gas, por lo cual se considera un proceso adiabático.
2) Proceso 2-3. En esta etapa se aplica calor a una presión constante.
3) Proceso 3-4. Ocurre una expansión adiabática del gas, de tal manera que se
produce trabajo útil en la turbina.
4) Proceso 4-1. El gas se refrigera hasta llegar a su condición inicial.
Para calcular el trabajo útil se emplea la ecuación:
𝑊 = 𝑄 − 𝑄 = 𝑚 ∙ 𝐶 ( 𝑇 − 𝑇 ) − 𝑚 ∙ 𝐶 (𝑇 − 𝑇 )
Gráfica p-V del ciclo de Brayton. Fuente: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Brayton

9. Gráfica T-S del ciclo de Brayton. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Brayton
Ciclo Rankine
Este ciclo tiene función cuando se trabaja con vapor, este ocurre cuando se calienta agua
en una caldera hasta que se evapora, esto aumenta la presión del vapor que es
conducido a una turbina, la cual produce energía cinética, de modo que al hacerlo se
pierde presión de vapor, el vapor sobrante es llevado a un condensador en donde es
regresado a su estado líquido que será reincorporado a la caldera por medio de una
bomba que se encargará de elevar su presión.
El ciclo de Rankine ideal consiste en cuatro procesos, 2 isoentrópicos y 2 isobáricos, a
saber:
1) Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina, desde la presión de la
caldera hasta la presión del condensador (proceso 1-2).
2) Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hasta el circuito
de refrigeración, esto se realiza en un intercambiador de calor (proceso 2-3).

10. 3) Compresión isoentrópica del fluido de trabajo por medio de una bomba, esto
aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera
(proceso 3-4).
4) Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera.
El fluido se calienta hasta la temperatura de saturación y ocurre el cambio de fase
de líquido a vapor, el cual es sobrecalentado para aprovechar la energía de los
gases de alta presión por la turbina para generar la potencia del ciclo (proceso 4-
1).
Este proceso se observa en la gráfica p-V y en la gráfica T-S.
Gráfica p-V del ciclo de Rankine. Fuente: http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-
tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/44/html/rankine.html
Gráfica T-S del ciclo de rankine. Fuente: http://todoproductividad.blogspot.com/2013/03/herramienta-de-analisis-y-
simulacion.html

11. Ciclos combinados de gas-vapor
Estos consisten en la integración de dos o más ciclos termodinámicos energéticos que
permitan lograr una conversión más completa y eficiente de la energía aportada en
trabajo.
Generalmente los ciclos implicados en esta integración son el ciclo de Brayton (de gas a
alta temperatura) y el ciclo de Rankine (de moderada temperatura), donde el calor
residual del ciclo de Brayton sirve como aporte de calor al ciclo de Rankine
Ciclo combinado de potencia de gas y vapor. Fuente: https://es.slideshare.net/eddwike/ciclos-de-potencia-combinados-de-gas-y-
vapor
Desde un punto de vista técnico, el ciclo que ofrece mejor rendimiento es el ciclo de
Carnot el cual es, a su vez, la base para la aplicación de otros ciclos. Este ciclo ofrece
mayor rendimiento en cuanto a eficiencia energética, además, si es aplicado a la inversa
puede funcionar para refrigeración debido a que toma la temperatura del foco de
temperatura baja y puede transferirlo al exterior, y en ese proceso se produce
enfriamiento dentro de la cámara.

12. Ciclo de refrigeración
Este ciclo consiste en reducir o mantener la temperatura de un sistema por debajo de la
temperatura del entorno, para lo cual se requiere hacer circular un líquido refrigerante
dentro de una máquina para extraer el calor de un espacio y transferirlo a otro de menor
temperatura.
Este ciclo consta de cuatro etapas:
1) Expansión. El líquido refrigerante se envía en estado líquido de la unidad exterior
a la unidad interior a través de un elemento de expansión, de esta manera se
reduce la presión y la temperatura del líquido, preparándolo para la siguiente
etapa;
2) Evaporación. Dentro de la unidad interior de la máquina refrigerante se encuentra
un evaporador que cumple su función de evaporar el líquido para obtener gas, con
esto se consigue ceder frío al interior de la cámara por medio de un ventilador;
3) Compresión. Dentro de un elemento compresor se aspira el vapor del fluido el cual
es conducido hacia un condensador, para lo cual se requiere un medio de aporte
de energía, que podría ser electricidad.
4) Condensación. En este punto se extrae el calor del interior una vez que el vapor a
alta presión se ha condensado consiguiendo que el refrigerante vuelva a su estado
líquido.
Ciclo de refrigeración. Fuente: https://tuaireacondicionado.net/el-ciclo-de-refrigeracion-como-funciona/

13. Propiedades de un refrigerante
Un refrigerante es un líquido con propiedades particulares y que funciona como agente
de enfriamiento, absorben calor en un lugar y lo disipan en otro por medio de cambios en
su estado físico, de líquido a gas y viceversa.
Un refrigerante debe cumplir con ciertas propiedades para cumplir su función, el
refrigerante ideal cumple con las siguientes propiedades:
Propiedades termodinámicas.
1) Presión. Debe ser positiva ene l sistema en todas las etapas;
2) Temperatura. Su temperatura debe estar por arriba de la temperatura de
condensación y una temperatura de congelación por debajo de la temperatura del
evaporador;
3) Volumen. Este debe ser bajo cuando está en fase de vapor y debe ser alto cuando
se encuentra en fase líquida.
4) Entalpía.
5) Densidad.
Propiedades físicas y químicas.
1. No debe ser tóxico
2. No debe ser explosivo ni inflamable
3. No debe tener efectos sobre otros materiales
4. Debe ser fácilmente detectable cuando ocurre una fuga
5. Se debe mezclar fácilmente con el aceite
6. No reacciona con la humedad
7. Debe ser un compuesto estable

14. Ciclo de Carnot invertido
Una característica del ciclo de Carnot es que es un proceso reversible, de modo que cada
una de sus etapas tiene reversibilidad, esto es, que el ciclo puede operar en sentido
contrario a las manecillas del reloj, ejemplos del ciclo de Carnot invertido son un
refrigerador o una bomba de calor.
El ciclo de Carnot invertido se comporta de la siguiente manera:
1) Se transfiere calor de modo reversible desde la región fría 𝑇 en un proceso
isotérmico donde el refrigerante sufre un cambio de fase (1-2).
2) El refrigerante es comprimido en un proceso isoentrópico hasta alcanzar la
temperatura máxima 𝑇 (2-3).
3) El calor es transferido a la región caliente a alta temperatura 𝑇 en un proceso
isotérmico de manera reversible donde el refrigerante sufre cambio de fase (3-4).
4) El refrigerante se expande en un proceso isoentrópico hasta alcanzar una
temperatura mínima 𝑇 (4-1).
Ciclo de Carnot inverso en un diagrama T-s. Fuente: https://www.researchgate.net/figure/Figura-3-a-Refrigerador-de-Carnot-b-
Ciclo-invertido-de-Carnot-en-un-diagrama_fig1_325794401

15. Ciclo inverso de Brayton
Este ciclo opera por compresión de vapor, es decir, el refrigerante es evaporado y
condensado de manera alternada y después se comprime en su fase de vapor, en este
caso el refrigerante permanece en todo momento en su fase gaseosa.
El ciclo inverso de Brayton opera de la siguiente manera:
1) El gas es comprimido para alcanzar una temperatura elevada (1-2).
2) El gas se enfría a presión constante hasta alcanzar la temperatura 𝑇 expulsando
el calor hacia el ambiente (2-3).
3) El gas es expandido en una turbina donde su temperatura disminuye hasta
alcanzar la temperatura 𝑇 (3-4).
4) El gas frío absorbe calor del espacio refrigerado hasta que su temperatura se
eleva hasta 𝑇 (4-1).
Esto se representa en la siguiente figura.
Ciclo invertido de Brayton. Fuente: http://termo2-1mi131.blogspot.com/2013/11/ciclo-brayton-invertido.html

16. Bomba de calor
Una bomba de calor se utiliza regularmente para calefacción, aunque también se emplea
en máquinas de aire acondicionado. Consiste en una máquina térmica que transfiere
energía en forma de calor de un ambiente a otro.
Consiste en cuatro pasos:
1) Evaporación. El calor es absorbido del medio ambiente convirtiendo el líquido en
gas.
2) Compresión. El gas es absorbido a baja presión desde el evaporador, se comprime
a alta presión aumentando su temperatura.
3) Condensación. En esta etapa se absorbe el fluido del compresor
4) Expansión. En esta etapa, el líquido es expandido, con lo que se enfria y se
convierte en gas al ser expandido.
Esto se representa en la siguiente imagen.
Ciclo bomba de calor. Fuente: http://www.tecnologia-industrial.es/BOMBA%20DE%20CALOR.htm

17. Fuentes de referencia:
Ciclo de Carnot. Junta de Andalucía. Recuperado de http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-
tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/44/html/carnot.html
El ciclo de Carnot. Física, estadística y Termodinámica. Recuperado de
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm
Ciclo Otto. Ecured. Cu. Recuperado de https://www.ecured.cu/Ciclo_Otto
Ciclo Diésel. UNAM. Recuperado de http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Termodinamica/node48.html
Ciclo de Diésel y motor de Diésel. (2013). Petroblogger.com. recuperado de
http://www.ingenieriadepetroleo.com/ciclo-diesel-motor-diesel/
Ciclo Rankine. Junta de Andalucía. Recuperado de http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-
tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/44/html/rankine.html
Ciclo de las máquinas térmicas. (2009). UNNE. Recuperado de http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica2/U07.pdf
Ciclo Brayton. Universidad de Sevilla. Recuperado de http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Brayton
Prieto, F. I. (2006). Ciclos combinados. Universidad de Oviedo. Gijón. Recuperado de
http://ocw.uniovi.es/pluginfile.php/1012/mod_resource/content/1/1C_C12757_0910/04_GT14_Central
es_termicas_de_ciclo_combinado.pdf
Urrecheaga, K., & Malaver, M. (2003). Análisis de las temperaturas y de la eficiencia térmica en el ciclo de
Otto. Educación Química, 14(3), 138-141. Recuperado de
http://revistas.unam.mx/index.php/req/article/view/66240
El ciclo de refrigeración. SEMARNAT. Recuperado de
http://apps2.semarnat.gob.mx:8080/sissao/archivos/Ciclo%20de%20Refrig.pdf
El ciclo de refrigeración-Cómo funciona. Tu aire acondicionado. Net. Recuperado de
https://tuaireacondicionado.net/el-ciclo-de-refrigeracion-como-funciona/
Refrigerante. (s/f). Ecured.cu. recuperado de
https://www.ecured.cu/Refrigerante#Caracter.C3.ADsticas_y_propiedades
Bomba de calor funcionamiento. Tecnologías industriales. Recuperado de http://www.tecnologia-
industrial.es/BOMBA%20DE%20CALOR.htm