Este documento describe varios ciclos termodinámicos de potencia, incluyendo el ciclo de Otto que se usa en motores de combustión interna, el ciclo Diesel, y el ciclo Brayton que se usa en turbinas de gas. Explica las etapas de cada ciclo, cómo se calcula su eficiencia, y factores que afectan el rendimiento como la relación de compresión. También compara la eficiencia relativa de los motores Diesel y de gasolina.

1. Ciclos de Potencia

2. Proceso isentrópico.
En un proceso isentrópico o isoentrópico el
valor de S no cambia (ΔS = 0). Un ejemplo de ello
son los procesos adiabáticos (sin intercambio de Q
entre el sistema y los alrededores), los que en su
momento fueron analizados.

3. Si ΔS = 0 en un proceso adiabático, es posible
representar el ciclo de Carnot en un diagrama P vs.
V o en uno equivalente: T vs. S.
Proceso isentrópico.

4. Ciclos de potencia.
¤ U n c i c l o d e p o t e n c i a e s u n c i c l o
termodinámico mediante el cual un motor o
máquina térmica produce una salida neta de
potencia haciendo uso de una fuente de energía
o combustible. Un ejemplo es el motor de un
automóvil, sin el cual sería poco probable definir
a la humanidad tal y como la conocemos.
¤ Los ciclos de potencia pueden ser cerrados (el
fluido de trabajo vuelve al estado inicial al final
del ciclo y se recircula) o abiertos (se renueva al
final de cada ciclo en vez de recircularse). El de
los automóviles es termodinámicamente abierto.

5. Ciclos de potencia.
La condición de abierto para los motores de los
automóviles obedece a que los gases de combustión
son lanzados al exterior y se reemplazan con nueva
mezcla aire/combustible al final de cada ciclo, por
lo que todos estos componentes gaseosos (el fluido
de trabajo) no completan formalmente el ciclo
termodinámico; a pesar de ello, el motor sí opera en
un ciclo mecánico completo.

6. Ciclos de potencia.
Para valorar la eficiencia termodinámica de un
ciclo partimos de considerar las condiciones de
operación que serían las ideales, En este caso:
¥ No hay fricción.
¥ Todos los procesos de expansión y compresión
son reversibles.
¥ Las tuberías están muy bien aisladas y las
pérdidas de calor a través de ellas son
insignificantes.

7. Suposición de aire estándar
frío. Con respecto al fluido de
trabajo, éste cambia
durante el curso de la
combustión, pero podemos
considerarlo esencialmente
aire todo el camino debido
a que la participación en
las reacciones químicas en
la cámara de combustión
de su principal
componente, el N2, no es
termodinámicamente
relevante.

8. Suposición del aire estándar
frío. Si se permite entonces
considerar al aire como
el fluido de trabajo en
la operación del motor,
el análisis
termodinámico del
funcionamiento puede
simplificarse aún más
mediante la
suposición del aire
estándar frío. Sus
postulados son los
siguientes:

9. Suposición del aire estándar
frío. ¤ El fluido de trabajo
es aire que circula de
modo continuo en un
circuito cerrado y
siempre se comporta
como un gas ideal.
¤ Todos los procesos
que integran el ciclo
son internamente
reversibles.

10. Suposición del aire estándar
frío. ¤ El proceso de
combustión es
sustituido por un
proceso de adición de
calor desde una
fuente externa.
¤ El proceso de escape
es sustituido por un
proceso de emisión de
calor que regresa al
fluido de trabajo a su
estado inicial.

11. Ciclo de Otto.
Con estas consideraciones hechas, es posible
describir el ciclo de Otto, que es el involucrado
en los motores de cuatro tiempos de los
automóviles, y discutir acerca de su eficiencia.

12. Ciclo de Otto.
El escenario del
funcionamiento del ciclo
de Otto es una máquina
reciprocante o
cilindro, y el fenómeno
que tiene lugar en él, la
quema de una mezcla de
aire/combustible, es el
que da lugar a que el
motor de los vehículos
automotores se defina
como motor de
combustión interna.

13. Ciclo de Otto.
Definimos, con respecto a
la posición del pistón,
PMS como punto muerto
superior, PMI como
punto muerto inferior, y
r = relación de
compresión = VPMI/VPMS.
Para el cálculo de dichos
volúmenes es necesario
considerar el calibre del
cilindro.

14. Ciclo de Otto.
El ciclo de Otto consta de los cuatro tiempos por los
que atraviesa un cilindro para efectuar movimiento
(aunque hay dispositivos que operan en dos), y son:

15. Ciclo de Otto. Si se emplea la
suposición de aire
estándar frío, el análisis
termodinámico del ciclo
de Otto se simplifica a
las siguientes etapas:
1 a 2 Compresión
isentrópica.
2 a 3 Adición de Q a V
constante.
3 a 4 Expansión
isentrópica
4 a 1 Emisión de Q a V
constante.

16. Ciclo de Otto.
PMS PMI V
PMS PMI V

17. Ciclo de Otto. Puede demostrarse
que la eficiencia
térmica η de un
ciclo de Otto está
dada por
ηOtto =
ηOtto =
ηOtto = 1 -
W1-2+W3-4
Q2-3
Qsalida
Qentrada
Wrealizado
Qsuministrado

18. Ciclo de Otto.
Y efectuando análisis
similares a los
practicados cuando
se analizó el ciclo de
Carnot, se llega a
ηOtto = 1 -
Donde r = relación de
compresión y
k = CP/CV.
1
r k-1

19. Ciclo de Otto.
La eficiencia térmica
del ciclo de Otto ideal
aumenta tanto con la
relación de
compresión como con
la relación de calores
específicos. Esto
también es cierto
para las máquinas de
combustión interna
reales de encendido
por chispa.

20. Ciclo de Otto. Comportamiento de η
vs r con k = 1.4 (para el
aire a T. A.). Para una r
dada, la eficiencia
térmica de una
máquina real de
encendido por chispa
será menor que la de
un ciclo de Otto ideal
debido a
irreversibilidades como
la fricción y a otros
factores, como la
combustión incompleta.

21. Ciclo de Otto.
Ojo: si se alcanzan
valores de r muy
elevados no sólo no se
aumenta
ostensiblemente η, sino
que esto implica
alcanzar una mayor T
en la fase de
compresión provocando
la incineración
espontánea del
combustible antes de su
encendido ideal.

22. Ciclo de Otto.
Si el combustible se quema antes, se rompe el ciclo
de Otto, se produce golpeteo y las consecuencias
físicas para el motor pueden ser devastadoras.

23. Ciclo de Otto.
Las mezclas de gasolinas
adicionadas con
antidetonantes (sustancias
que inhiben la autoignición,
como el plomo tetraetilo) han
permitido llegar a r más
elevadas. Sin embargo, con
todo y eso, las mejores
máquinas reales apenas
alcanzan entre un 25 y 30 % de
eficiencia térmica.

24. Ciclo de Otto.
Otra opción es emplear
gasolinas de elevado
octanaje. El octanaje es
una medida de que tanto se
parece un combustible dado
al isoctano, un
hidrocarburo especialmente
eficiente para ser
introducido a un motor. Si el
número es más elevado, su
comportamiento se
aproxima más a él.

25. Ciclo Diesel. En los motores Diesel el
aire se comprime hasta
una temperatura que es
superior a la de
autoencendido del
combustible, y la
combustión inicia
cuando el combustible se
inyecta dentro de este
aire caliente. En los
motores Diesel la bujía y
el carburador son
sustituidos por un
inyector.

26. Ciclo Diesel.
En el motor Diesel el aire se
comprime durante la carrera
de compresión eliminando la
posibilidad de autoencendido,
por lo que puede ser diseñado
para operar a relaciones de
compresión mucho más altas,
generalmente entre 12 y 24, lo
que permite el uso de
combustibles menos refinados
y más baratos.

27. Ciclo Diesel.
La inyección de combustible en
los motores Diesel empieza
cuando el émbolo se aproxima
al PMS y continúa durante la
primera parte de la carrera de
potencia, por lo que el proceso
de combustión sucede durante
un periodo más largo (lo que
equivale a un proceso de
adición de calor a P constante).
Éste es el único proceso donde
los ciclos de Otto y Diesel
difieren.

28. En el primer tiempo se admite al cilindro Diesel
únicamente aire; en la segunda etapa éste se
comprime, en la tercera se adiciona una gota del
combustible que se inflama al contacto con el aire
caliente, y finalmente en la última etapa se purga.
Ciclo Diesel.

29. Ciclo Diesel.
Las etapas de un ciclo Diesel
ideal son, como se aprecia en
los diagramas,
1 a 2 Compresión isentrópica.
2 a 3 Adición de Q a P
constante.
3 a 4 Expansión isentrópica
4 a 1 Emisión de Q a V
constante.

30. Ciclo Diesel.
La eficiencia en un motor
Diesel está dada por
ηDiesel = 1 -
donde rc = relación de corte
de admisión = la relación de
los volúmenes del cilindro
antes y después del proceso de
combustión = V3/V2.
1
r k-1
rc
k - 1
k(rc -1)

31. Ciclo Diesel.
Los motores Diesel operan con r mucho más altas,
queman el combustible de manera más completa
(operan a menores r.p.m.) y la relación de masa de
aire y combustible es mucho mayor que en los de
gasolina, por lo que suelen ser más eficientes: sus
eficiencias térmicas pueden alcanzar entre 35 y 40
por ciento.

32. Ciclo Diesel.
La mayor eficiencia y el menor costo de
combustible convierte a los diesel en la
opción indicada para motores que
requieren cantidades importantes de
potencia: los de locomotoras, unidades
de generación de electricidad de
emergencia, barcos, camiones pesados...
Fiat en 1964 presentó un Diesel de 12
cilindros con una salida de potencia
normal de 25 200 hp a 122 rpm, un
diámetro del cilindro de 90 cm y una
carrera de 91 cm.

33. Ciclo Diesel.
Aquí la escala de eficiencia del combustible es la del
índice ce cetano, una medida de que tanto se
parece un combustible dado al cetano, hidrocarburo
muy eficiente para el diesel. Sin embargo, debido a
las menores exigencias, sólo se requiere un índice de
cetano = 55 para que el vehículo se desempeñe
satisfactoriamente.

34. Ciclo Brayton.
El ciclo Brayton se
utiliza en turbinas de gas
donde los procesos de
compresión y expansión
proceden en maquinaria
rotatoria.

35. Ciclo Brayton.
En las condiciones de
operación tipicas de este ciclo
termodinámicamente abierto,
se introduce aire fresco al
compresor donde se eleva su P
y T. El aire sigue hacia la
cámara donde el combustible
se quema a P constante. Los
gases de combustión a T alta
se hacen pasar entonces a la
turbina, donde se expanden y
liberan a la atmósfera,
produciendo potencia.

36. Ciclo Brayton.
La arquitectura de las turbinas es la
misma que la de un rehilete: poseen
propelas cuyo arreglo le da al
dispositivo quiralidad (su imagen
especular no es superponible con él
mismo).

37. Ciclo Brayton.
Las etapas de un ciclo Brayton
ideal son, como se aprecia en
los diagramas,
1 a 2 Compresión isentrópica
(en un compresor).
2 a 3 Adición de Q a P
constante.
3 a 4 Expansión isentrópica
8en una turbina).
4 a 1 Emisión de Q a P
constante.

38. Ciclo Brayton.
La eficiencia térmica del ciclo
Brayton está dada por
ηBrayton = 1 -
donde rP = relación de
presión = P2/P1.
En la gráfica de la derecha los
datos son para k = 1.4
(suposición del aire estándar
frio).
1
rP
(k-1)/k