Ciclos termodinámicos: Ciclo de Carnot • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclo de Brayton • Ciclo de Rankine • Ciclo combinado de gas-vapor

1. Termodinámica II
Unidad 02 Ciclos Termodinámicos
Actividad ¿Cómo elegir un sistema?
Grupo ER-ETER2-1902-B1-002
Estudiante Miguel Anselmo Corzo Estrada
Docente Javier Hernández Pérez
Asesor Magdalena Galindo Vilchis
Fecha de Elaboración 29 de Julio de 2019

2. Procesos en termodinámica:
Proceso Es el cambio de un estado de equilibrio a
otro experimentado por un sistema.
Un proceso que se desarrolla de tal manera que todo el
el sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado
equilibrio, estamos ante un proceso cuasiestático, o de
cuasiequilibrio. Un proceso de este tipo puede considerarse
lo suficientemente lento como para permitirle al sistema
ajustarse internamente de modo que las propiedades de una
de sus partes no cambien más rápido que las de otras.

3. Procesos en termodinámica:
Proceso de Flujo Estacionario, que es
posible definir como un proceso durante
el cual un fluido fluye de forma
estacionaria por un volumen de control
(Fig. 1-33). Es decir, las propiedades del
fluido pueden cambiar de un punto a
dentro del volumen de control, pero en
algún punto fijo permanecen sin cambio
durante todo el proceso. Por lo tanto, el
volumen V, la masa m y el contenido
de energía E del volumen de control
permanecen constantes durante un
proceso de flujo estacionario.

4. Propiedades de un sistema
Intensivas
Son aquellas independientes de la masa de un sistema, como
presión y densidad
Extensivas Son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema
Proceso
Adiabático
Es un proceso durante el cual no hay transferencia de calor.
Proceso
Isotérmico
Es aquel durante el cual la temperatura T permanece constante.
Proceso
isobárico
Es en el que la presión P se mantiene constante.
Proceso
isocórico
Es aquel donde el volumen específico v permanece constante.

5. Ciclo de Carnot
fue propuesto en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot. La máquina térmica teórica que opera en el ciclo de Carnot se
llama máquina térmica de Carnot, cuyo ciclo se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos
adiabáticos, y que es posible llevar a cabo en un sistema cerrado o de flujo estacionario.
Expansión isotérmica
reversible, el gas se
expande lentamente y
realiza trabajo a sus
alrededores.
Expansión adiabática reversible, se quita el
aislamiento de la cabeza del cilindro y se
reemplaza por aislamiento para que el
sistema se vuelva adiabático. El gas
expandiéndose lentamente y realiza trabajo
sobre los alrededores hasta que su
temperatura disminuye de TH a TL.
Compresión isotérmica
reversible, se retira el
aislamiento de la cabeza
del cilindro y se pone a
éste en contacto con un
sumidero a temperatura
TL. Después una fuerza
externa empuja al cilindro
hacia el interior, de modo
que se realiza trabajo
sobre el gas.
Compresión adiabática reversible, el estado
4 es tal que cuando se elimina el depósito
baja temperatura, se coloca el aislamiento
nuevo en la cabeza del cilindro y se
comprime el gas de manera reversible,
entonces el gas vuelve a su estado inicial
(estado 1).

6. Ciclo de Carnot
Paso 1-2, disminuye la presión del gas y aumenta el volumen
cilindro.
Paso 1-2, La temperatura es constante y el calor entra en este
paso.
Paso 2-3, la presión disminuye y el gas aumenta de volumen
poco a poco.
Paso 1-2, La temperatura baja y empieza a disminuir el calor.
Paso 3-4, la presión aumenta y el volumen del gas disminuye. Paso 3-4, La temperatura constante y calor sale por el
Paso 4-1, el volumen disminuye poco y la presión aumenta y los
parámetros P-V vuelven a su estado inicial.
Paso 4-1, Se elimino el calor por el sumidero y se vuelve a
colocar la fuente de calor nuevamente y comienza el ciclo.

7. Ciclo de Otto
El ciclo de Otto es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido por chispa. Recibe ese nombre en honor a Nikolaus A. Otto,
1876, en Alemania, construyó una exitosa máquina de cuatro tiempos utilizando el ciclo propuesto por el francés Beau de Rochas en 1862. En la
mayoría de las máquinas de encendido por chispa el émbolo ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecánicos) dentro del cilindro, y el
el cigüeñal completa dos revoluciones por cada ciclo termodinámico. Estas máquinas son llamadas máquinas de combustión interna de cuatro
tiempos.
Paso 1-2. Inicialmente, tanto la válvula de
admisión como la de escape están cerradas y
émbolo se encuentra en su posición más baja
(PMI)
PMI.- Punto muerto inferior
PMS. –Punto muerto superior.
Paso 2-3. Durante la carrera de compresión, el
émbolo se mueve hacia arriba y comprime la
mezcla de aire y combustible. Un poco antes
de que el émbolo alcance su posición más
(PMS), la bujía produce una chispa y la mezcla
se enciende, con lo cual aumenta la presión y
temperatura del sistema
Paso 3-4. Los gases de alta presión impulsan
al émbolo hacia abajo, el cual a su vez obliga
rotar al cigüeñal, lo que produce una salida de
trabajo útil durante la carrera de expansión o
carrera de potencia.
Paso 4-1. Al final de esta carrera, el émbolo se encuentra en su posición más baja (la terminación del primer ciclo
mecánico) y el cilindro se llena con los productos de la combustión. Después el émbolo se mueve hacia arriba una
vez más y evacua los gases de escape por la válvula de escape (carrera de escape), para descender por segunda
extrayendo una mezcla fresca de aire y combustible a través de la válvula de admisión (carrera de admisión).

8. Ciclo de Otto
1.- Del encendido al fin de la combustión la presión aumenta y la bujía
provoca la combustión.
2.- Sucede la expansión que provoca un aumento de volumen
provocado por los gases producto de la combustión,
3.- Se abre la válvula de escape y el pistón sube y expulsa los gases
(PMS) se cierra la válvula y se abre la admisión del combustible y aire
(PMI),aumenta el volumen.
4.-Aumenta la presión con el combustible y aire y comienza
nuevamente el ciclo.

9. Ciclo de Diesel
Fue propuesto por Rudolph Diesel en la década de 1890, el aire se comprime hasta una temperatura que es superior a la temperatura de
autoencendido del combustible, y la combustión inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente. Por lo tanto,
los motores diesel la bujía y el carburador son sustituidos por un inyector de combustible.
La idealización del motor Diesel corresponde al ciclo Diesel cuyos
procesos son los siguientes:
1. Compresión adiabática similar a la del ciclo de Otto, 1-2
La presión aumenta y disminuye el volumen .
La temperatura aumenta.
2. Suministro de calor a presión constante(proceso isobárico), 2-3
Proceso Isobárico (la presión es constante y aumenta el volumen. En
este paso entra el calor al sistema.
Aumenta la temperatura y aumenta el calor.
3. Expansión adiabática, 3-4
No contamos con trasferencia de calor, la presión disminuye y
aumenta el volumen.
4. Liberación de calor isocora, 4-1
Volumen constante en este paso.

10. Ciclo de Brayton
El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por vez primera para usarlo en el motor reciprocante que quemaba aceite desarrollado por
alrededor de 1870. Actualmente se utiliza en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresión como de expansión suceden en
rotatoria. Las turbinas de gas generalmente operan en un ciclo abierto, como se observa en la figura 9-29. Se introduce aire fresco en
ambiente dentro del compresor, donde su temperatura y presión se elevan. El aire de alta presión sigue hacia la cámara de combustión, donde
combustible se quema a presión constante. Los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión
atmosférica, produciendo potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), causando que el ciclo
clasifique como un ciclo abierto.
En este motor se inyecta aire de la atmósfera
continuamente hacia un compresor rotatorio
o axial que eleva considerablemente la
presión del aire de manera adiabática.
Después, el aire entra a una cámara de
combustión (o combustor) en la que es
mezclado con combustible para quemarse a
presión constante, generando productos de
combustión a una alta temperatura.
Enseguida, estos productos se expanden a
través de una turbina descargándolos a los
alrededores por lo que la presión final, en
paso corresponde a la atmosférica. Parte del
trabajo desarrollado por la turbina se emplea
en la operación del compresor y el resto se
emplea para generar electricidad, para
impulsar un vehículo o para otros propósitos.
La turbina de régimen cerrado difiere del
anterior en la manera que la sustancia de
trabajo recibe calor y en que ésta sustancia si
regresa al estado inicial. En la parte (b) del
esquema del motor de turbina de gas, la
sustancia de trabajo recibe calor desde una
fuente externa, por ejemplo de un reactor
nuclear. El gas saliente de la turbina se
transfiere a un intercambiador de calor para
ser enfriado antes de reingresar al compresor.
Este es el motor que se analizará primero por
medio de la aproximación de su ciclo ideal, el
ciclo de Brayton.

11. Ciclo de Brayton
1. Compresión adiabática (o isentrópica), 1-2
No hay transferencia de calor, la presión aumenta
que se inyecta aire a temperatura.
La temperatura aumenta pero se considera que no
hay transferencia de calor.
2. Suministro de calor a presión constante (proceso
isobárico), 2-3
Sin cambio de presión aumenta levemente el
volumen.
Aumenta la temperatura en este paso.
3. Expansión adiabática (o isentrópica), 3-4
Sale el gas a presión aumentando el volumen de
manera rápida.
Desciende la temperatura y se produce el trabajo.
4. Liberación de calor a presión constante (proceso
isobárico), 4-1
Se libera calor y disminuye el volumen y se inicia
nuevamente el ciclo.

12. Ciclo de Rankine
1. Compresión adiabática (y por lo tanto,
isentrópica) del líquido (agua), 1-2
Un proceso en el que la entropía se mantiene
constante es un proceso isentrópico.
El liquido es bombeado a gran presión a la caldera
en proceso no existe transferencia de calor.
2. Suministro isobárico de calor para transformar el
líquido en vapor, 2-3
Presión constante se agrega calor que hace que el
agua se evapore aumentando su volumen en
de vapor.
3. Expansión adiabática (e isentrópica) del vapor a
baja presión, 3-4
En este proceso el vapor a alta presión se pasa a
una turbina que genera trabajo y después se
conduce a baja presión a un condensador.
4. Liberación isobárica de calor para condensar el
vapor, 4-1
En el condensador se lleva el a niveles de vapor
saturado y continua la condensación hasta que
a estado liquido saturado e inicia nuevamente el
ciclo.
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. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por
eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos
focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la
Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico
William John Macquorn Rankine.

13. Ciclo combinado de gas-vapor
Los ciclos de potencia de gas y vapor por ser los de uso más común en la generación de potencia. Los primeros
muy útiles en la producción de trabajo motriz y los segundos en la producción de electricidad. Estos no son los
únicas aplicaciones de estas plantas, así como el agua, ya sea en su fase líquida o de vapor, no es la única
de trabajo que se puede utilizar para propósitos prácticos. Se pueden construir plantas que combinan ciclos con
distintas sustancias de trabajo para mejorar el rendimiento de la planta completa.
¿Cual es el mejor ciclo?
En base a lo presentado el mejor ciclo para mi seria el Ciclo de Rankine, ya que el ciclo de vapor se puede
la eficiencia mediante el uso de un sobre calentador, Ciclo de Rankine con recalentamiento, con esta
tiene grandes repercusiones en la eficiencia térmica de las plantas de vapor. Además las plantas generadores de
vapor pueden usar plantas solares que concentran y recolectan la radiación solar que vaporiza la sustancia de
trabajo (agua).

14. ¿Qué es un ciclo de refrigeración?
Una de las principales áreas de aplicación de la termodinámica es la refrigeración, que es la transferencia de calor de una región
de temperatura inferior hacia una temperatura superior. Los dispositivos que producen refrigeración se llaman refrigeradores, y
los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeración.
¿Qué propiedades debe tener un refrigerante?
Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes.
Las propiedades son: el Punto de Congelación debe ser inferior a cualquier temperatura que existe en el sistema para evitar
congelaciones en el evaporador, el calor latente de evaporación debe ser lo más alto posible para que una pequeña cantidad de
líquido absorba una gran cantidad de calor, el volumen específico debe ser lo más bajo posible para evitar grandes tamaños en
las líneas de aspiración y compresión, la densidad debe ser elevada para usar líneas de líquidos pequeñas, las presiones de
condensación deben elevarse, para evitar fugas y reducir la temperatura de condensación y no son líquidos inflamables,
corrosivos, ni tóxicos. Además deben tener una baja conductividad eléctrica.
Explica el ciclo de Carnot inverso.
El ciclo de Carnot es un ciclo totalmente reversible que se compone de dos procesos isotérmicos reversibles y de dos procesos
isentrópicos. Puesto que es un ciclo reversible, los cuatro procesos que comprende el ciclo de Carnot pueden invertirse. Al
hacerlo también se invertirán las direcciones de cualquier interacción de calor y de trabajo. El resultado es un ciclo que opera en
dirección contraria a las manecillas del reloj en el diagrama T-s, que se llama el ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba
de calor que opera en el ciclo invertido de Carnot es definido como un refrigerador de Carnot o una bomba de calor de Carnot.

15. Explica el ciclo de refrigeración de Brayton.
El gas refrigerante, con una temperatura un poco por debajo de la temperatura de la fuente fría Tf, es comprimido rápidamente por un
compresor, elevando su temperatura y presión. A la salida de este, el gas con una temperatura mayor que la fuente caliente TC, se traslada
a un intercambiador de calor para liberar calor hacia la fuente caliente. Aquí, el gas se enfría hasta la temperatura TC a presión constante.
Después, el gas se expande por medio de una turbina, disminuyendo su temperatura muy por debajo de la temperatura, Tf, de la fuente
fría. Con esta temperatura, el gas se conduce a un intercambiador de calor en contacto con la región que se desea enfriar. Aquí, el gas de
expande a presión constante a medida que absorbe calor de la fuente fría hasta alcanzar una temperatura un poco por debajo de la
temperatura TC. De este análisis surge algo interesante, si se compara este proceso con el proceso de la turbina de gas salta a la vista la
analogía con esta. Es el mismo proceso pero recorrido de manera inversa, de modo que de inmediato se identifica el ciclo ideal de este
sistema con el ciclo de Brayton de refrigeración.
¿Qué es una bomba de calor?
Dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura.

16. Bibliografía
Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2012). Termodinámica. México, D.F.: McGrawHill.
NIeto, A. (s.f.). mundohvacr. Obtenido de
https://www.mundohvacr.com.mx/2007/02/los-refrigerantes-y-sus-propiedades/
UnADM. (s.f.). Unidada 2 Ciclos Termodinámicos.