Eter2 u2 a1_gemr

Universidad Abierta y a Distancia de México
Termodinámica II
Unidad 2, Actividad 1 (172007094) Gerardo Martínez Rosas
Ciclo de Carnot
Presenta
Gerardo Martínez Rosas
Matrícula
ES172007094
Actividad 1
Unidad 2
Termodinámica II
¿Cómo elegir un sistema?
Fecha
09 Febrero 2018
Docente
Javier Hernandez Pérez

Termodinámica II
Ciclo de Carnot
1. Un proceso de expansión de gas isotérmico reversible. En este proceso, el gas ideal en el sistema
absorbe la cantidad de calor qin de una fuente de calor a una temperatura alta Th, se expande y funciona en
los alrededores.
2. Un proceso de expansión de gas adiabático reversible. En este proceso, el sistema está aislado
térmicamente. El gas continúa expandiéndose y trabaja en los alrededores, lo que hace que el sistema se
enfríe a una temperatura más baja, Tl.
3. Un proceso de compresión de gas isotérmico reversible. En este proceso, los alrededores funcionan al
gas en Tl, y causan una pérdida de calor, qout.
4. Un proceso de compresión de gas adiabático reversible. En este proceso, el sistema está aislado
térmicamente. Los alrededores continúan haciendo trabajo al gas, lo que hace que la temperatura suba de
nuevo a Th.
Expansión
Isotérmica
en Th
Expansión
Adiabática de
Th a Tl
Compresión
Isotérmica
en TI
Compresión
Adiabática de
TI a Th

Termodinámica II
Ciclo de Otto
Se utiliza en todos los motores de combustión interna.
Usando el sistema de numeración de la etapa del motor,
comenzamos en la parte inferior izquierda, siendo
1. Inicio de la carrera de admisión del motor. La presión está
cerca de la presión atmosférica y el volumen de gas es
mínimo. Entre la Etapa 1 y la Etapa 2, el pistón se saca del
cilindro con la válvula de admisión abierta. La presión
permanece constante y el volumen de gas aumenta a
medida que la mezcla de combustible / aire se introduce en
el cilindro a través de la válvula de admisión.
2. Comienza la carrera de compresión del motor con el
cierre de la válvula de admisión. Entre la Etapa 2 y la Etapa
3, el pistón regresa al cilindro, el volumen de gas disminuye
y la presión aumenta porque el pistón realiza el trabajo en el
gas.
3. Es el comienzo de la combustión de la mezcla de combustible / aire. La combustión se produce
muy rápidamente y el volumen permanece constante. El calor se libera durante la combustión, lo que
aumenta tanto la temperatura como la presión, de acuerdo con la ecuación de estado.
se repite.
Volumen constante
Proceso adiabático
Combustión
Compresión
EscapeAdmisión
Admisión
Fuerza de
Piston

Termodinámica II
Ciclo de Otto
4. Inicia el golpe de potencia del motor.
Entre la Etapa 4 y la Etapa 5, el pistón se mueve hacia el
cigüeñal, el volumen aumenta y la presión disminuye a
medida que el gas del pistón realiza el trabajo.
5. La válvula de escape se abre y el calor residual en el gas
se intercambia con el entorno. El volumen permanece
constante y la presión se ajusta nuevamente a las
condiciones atmosféricas.
6. Comienza la carrera de escape del motor durante la cual
el pistón regresa al cilindro, el volumen disminuye y la
presión permanece constante. Al final de la carrera de
escape, las condiciones han regresado a la Etapa 1 y el
proceso se repite.
Volumen constante
Proceso adiabático
Combustión
Compresión
EscapeAdmisión
Admisión
Fuerza de
Pistón

Termodinámica II
Ciclo de Diésel
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.

Termodinámica II
Ciclo de Diésel
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.
En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que es un ciclo de cuatro
tiempos, aunque este nombre se suele reservar para los motores de gasolina.

Termodinámica II
Ciclo de Brayton
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 isobaro B→C.
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.

Termodinámica II
Escape
Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. 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 PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A.
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.
Ciclo de Brayton
Turbina de Gas en Ciclo Abierto Turbina de Gas en Ciclo Abierto

Termodinámica II
Ciclo de Rankine
3-4 Expansión Isentrópica . El vapor se expande en la
turbina, lo que produce trabajo que se puede convertir en
electricidad. En la práctica, la expansión está limitada por
la temperatura del medio de enfriamiento y por la erosión
de las aspas de la turbina por arrastre de líquido en la
corriente de vapor a medida que el proceso avanza hacia
la región bifásica. Las calidades de vapor de salida deben
ser superiores al 90%.
1-2-3 Transferencia de calor isobárico. El líquido a alta presión entra en la caldera desde la bomba de
alimentación (1) y se calienta a la temperatura de saturación (2). La adición adicional de energía
provoca la evaporación del líquido hasta que se convierte completamente en vapor saturado (3).
El ciclo Rankine es el ciclo operativo fundamental de todas las centrales eléctricas en las que
un fluido operativo se evapora y condensa continuamente. La selección del fluido de operación
depende principalmente del rango de temperatura disponible.

Termodinámica II
Ciclo de Rankine
5-1 Compresión isentrópica. La presión del condensado
se eleva en la bomba de alimentación. Debido al bajo
volumen específico de líquidos, el trabajo de la bomba
es relativamente pequeño.
4-5 Rechazo del calor isobárico. La mezcla vapor-líquido que sale de la turbina (4) se condensa a baja
presión, generalmente en un condensador de superficie con agua de refrigeración. En condensadores
bien diseñados y mantenidos, la presión del vapor está muy por debajo de la presión atmosférica,
acercándose a la presión de saturación del fluido de operación a la temperatura del agua de
enfriamiento.

Termodinámica II
Ciclo Combinado Gas-Vapor
Comúnmente llamado Ciclo Cambiando. El
ciclo combinado de mayor interés es el
ciclo de turbina de gas (Brayton) conectado
a una turbina de vapor Ciclo (Rankine), que
en conjunto tienen una mayor eficiencia
térmica que cualquiera de los dos ciclos
ejecutados individualmente.
En este ciclo, la energía se recupera de los gases de escape al transferirla al vapor en un
intercambiador de calor que sirve como caldera. En general, se necesita más de una turbina de gas
para suministrar suficiente calor al vapor. Además, el ciclo de vapor puede implicar la regeneración,
así como el recalentamiento. La energía para el proceso de recalentamiento se puede suministrar
quemando un poco de combustible adicional en los gases de escape ricos en oxígeno. Los recientes
desarrollos en la tecnología de turbinas de gas han hecho que el ciclo combinado de gas y vapor sea
económicamente muy atractivo. El ciclo combinado aumenta la eficiencia sin aumentar mucho el
costo inicial. En consecuencia, muchas plantas de energía nuevas operan en ciclos combinados, y
muchas más plantas de turbina de vapor o de gas existentes se están convirtiendo en plantas de
energía de ciclo combinado.

Termodinámica II
¿Cuál es el mejor ciclo?
Es difícil determinar cual es el mejor ciclo, ya que cada uno ofrece diferentes
características las cuales hacen que cada ciclo se adapte a diferentes necesidades.
Por ejemplo podríamos decir que una turbina en un ciclo basa en un ciclo Brayton
ofrece mejor potencia que un motor de combustión interna Otto. Pero usar un turbina en una auto
no es lo mas practico.
Si comparamos el ciclo diésel con el Otto, el combustible Diesel ya de por si ofrece
mejor rendimiento, pero son las condiciones del mercado las que rigen si es más optimo usar un
motor Diesel que un Otto.
En el caso de vapor gas, definitivamente lo mejor es un ciclo combinado. Una turbina
Brayton tiene eficiencias de hasta 33% operando de manera individual (ciclo abierto) lo cual con
los costos actuales del gas natural hace incosteable su operación. En una configuración de ciclo
combinado Brayton + Rankin la eficiencia del sistema se duplica obteniendo mayores beneficios.

Termodinámica II
¿Qué es un ciclo de refrigeración?
Válvula de Expansión
Condensador
Evaporador
Compresor
Los líquidos absorben calor cuando cambian de
líquido a gas.
Los gases ceden calor cuando cambian de gas a
líquido.
• El líquido a alta presión, se conduce hacia la “Válvula de Expansión”. Esta válvula, restringe el flujo
del líquido y baja su presión al salir de la válvula.
• El líquido a baja presión, se mueve hacia el evaporador, en donde el calor del aire interior, es
absorbido y cambia el líquido a un gas.
• Como un gas caliente a baja presión, el refrigerante se mueve hacia el compresor, en donde se
vuelve a repetir el ciclo que hemos descrito. Se deberá notar que este ciclo de cuatro partes, se divide
en el centro como un lado de alta y otro lado de baja presión del refrigerante.
• El refrigerante entra al compresor como un gas a
baja presión, en donde es comprimido y sale del
compresor como un gas a alta presión
• El gas fluye hacia la condensadora. Aquí el gas se
condensa a un líquido y expele su calor al aire
exterior.

Termodinámica II
Propiedades que un refrigerante debe tener.
Calor latente de vaporización. Debe ser elevado, a fin de disminuir lo más posible el caudal másico de refrigerante
que ha de circular por la instalación, con la consiguiente reducción en el tamaño de la misma.
Presión reevaporación. La presión de vapor a la temperatura de evaporación no debe ser excesivamente baja. Si la
presión en el evaporador disminuye por debajo de la atmosférica, se presentan problemas de estanquidad y deben
instalarse dispositivos de purga de aire. La entrada de aire no sólo disminuye la eficiencia, sino que proporciona una
aportación de humedad que favorece la corrosión del equipo y puede ocasionar el taponamiento de circuito por
formación de cristales de hielo en algún punto del mismo.
Temperatura crítica. Debe ser elevada. Una temperatura crítica baja incrementa la presión de condensación y
conlleva la necesidad utilizar grandes superficies de intercambio en el condensador.
Volumen especifico. El volumen especifico del vapor a la presión de evaporación debe ser reducido, a fin de
disminuir el tamaño preciso en el compresor.
Temperatura de congelación. Debe ser lo suficiente baja como para que el refrigerante no pueda solidificarse
durante el trabajo normal.

Termodinámica II
Propiedades que un refrigerante debe tener.
Conductividad térmica. Debe ser elevada, para que las superficies de intercambio precisa no sean grandes.
Resistencia dieléctrica del vapor. En las instalaciones que emplean compresores herméticos debe ser elevada y estar
en contacto con los arrollamientos del motor.
Inactividad y estabilidad. El refrigerante debe ser inerte frete a los materiales que constituyen el sistema y el aceite de
lubricación del compresor y debe ser estable en su constitución química.
Solubilidad con aceite. A ser posible, el refrigerante debe ser inmiscible con el aceite y en su defecto se prefiere que sea
totalmente miscible. La miscibilidad parcial crea problemas de depósitos de aceite en el evaporador cuya solución requiere
además del empleo de separador de aceite, velocidades altas en la línea de aspiración.
Solubilidad con agua. Cuando el agua entra en contacto con el refrigerante puede formar una disolución lo que
permanece como agua libre. El agua libre es la que causa el taponamiento por congelación de la válvulas de expansión y
evaporadores. Por estas razones resulta particularmente importante el mantener seco un sistema de refrigeración, para lo
que suelen emplear filtros deshidratadores a base de sílica gel, de aluminio activada o de tamices moleculares

Termodinámica II
Ciclo de Carnot Inverso
Proceso 3-2: Compresión Adiabática Reversible
Este proceso es isentrópico. El motor está perfectamente aislado
para que no se pierda ni se absorba el calor. Gas se comprime
lentamente hasta que la temperatura sube de T L a T H .
Proceso 2-1: Compresión isotérmica reversible (T H = constante)
Durante este proceso, el calor es rechazado. Gas se comprime de
forma reversible a la temperatura constante T H .
Proceso 1-4: Expansión Adiabática Reversible
Este proceso es isentrópico. El motor está perfectamente aislado
para que no se pierda ni se absorba el calor. El gas se expande
lentamente hasta que la temperatura cae de T H a T L .
Proceso 4-3: Expansión isotérmica reversible (T L = constante)
Durante este proceso, el calor es absorbido. Gas se comprime de
forma reversible a la temperatura constante T H .

Termodinámica II
Ciclo de refrigeración de Brayton
Un ciclo Brayton que se conduce en dirección inversa se
conoce como el ciclo de Brayton inverso . Su propósito es
mover el calor de un cuerpo más frío a otro más caliente, en
lugar de producir trabajo. De acuerdo con la segunda ley de la
termodinámica, el calor no puede fluir espontáneamente del
sistema frío al sistema caliente sin que se realicen trabajos
externos en el sistema. El calor puede fluir de un cuerpo más
frío a otro más caliente, pero solo cuando es forzado por un
trabajo externo. Esto es exactamente lo que logran los
refrigeradores y las bombas de calor. Estos son accionados
por motores eléctricos que requieren trabajo de su entorno
para funcionar. Uno de los ciclos posibles es un ciclo de
Brayton inverso, que es similar al ciclo de Brayton ordinario,
pero se conduce a la inversa, a través de la entrada de trabajo
neto. Este ciclo también se conoce como ciclo de refrigeración
de gas o ciclo de Bell Coleman. Este tipo de ciclo se usa
ampliamente en aviones a reacción para sistemas de aire
acondicionado que utilizan aire de los compresores del
motor. También se usa ampliamente en la industria de GNL,
donde el mayor ciclo inverso de Brayton es para subenfriar
GNL con 86 MW de potencia de un compresor de turbina de
gas y refrigerante de nitrógeno.

Termodinámica II
Bomba de calor.
El término de la bomba de calor es generalmente reservado para
un dispositivo que puede calentar una casa en invierno mediante el
uso de un motor eléctrico que hace el trabajo W a tomar calor Q frío
desde el exterior a baja temperatura y suministra calor Qcaliente a
más calor dentro de la casa.
El principio de funcionamiento de
los refrigeradores , acondicionadores de aire y bombas de
calor es el mismo y es justo lo contrario de un motor térmico . En
general, una bomba de calor es un dispositivo que transfiere
energía de calor de una fuente de calor a un " disipador de calor ",
pero en este caso, la transferencia se produce en la dirección
opuesta a la transferencia de calor espontánea al absorber el
calor de un espacio frío y liberarlo a un uno más cálido. Como se
muestra en el diagrama de la figura, al realizar un trabajo externo
W, el calor se toma de una región de baja temperatura (fuente de
calor) y una mayor cantidad de calor se agota a una temperatura
más alta (disipador de calor).
El ciclo o método termodinámico más utilizado para calefacción,
aire acondicionado, refrigeradores y bombas de calor es el ciclo de
compresión de vapor . Pero el ciclo de Brayton también se puede
utilizar para impulsar las bombas de calor.

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