Ciclos termodinámicos
Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.
Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en trabajo mecánico. El ciclo de Carnot, es un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, y demuestra que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un motor, límite que siempre es menor del 100 %. La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.
Ciclo Otto
Gráfico del ciclo Otto
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 |
| η = 1 - | 1 |
| R(γ - 1) |
Para un R = 8, y un γ = 1,4 (aire), η = 0,56
Ciclo Diesel
Gráfico del ciclo Diesel
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 |
| η = 1 - | 1 |
| R(γ - 1) |
Para un R = 15 - 20, y un γ = 1,4 (aire), η = 0,65 - 0,70
Ciclo de Carnot
Gráfico del ciclo de Carnot
Una máquina de Carnot es perfecta, es decir, convierte la máxima energía térmica posible en trabajo mecánico. Nicolas Léonard Sadi Carnot demostró que la eficiencia máxima de cualquier máquina depende de la diferencia entre las temperaturas máxima y mínima alcanzadas durante un ciclo. Cuanto mayor es esa diferencia, más eficiente es la máquina. Por ejemplo, un motor de automóvil sería más eficiente si el combustible se quemara a mayor temperatura o los gases de escape salieran a menor temperatura.
ab y cd: contracciones y expansiones isotérmicas.
bc y ad: contracciones y expansiones adiabáticas.
| η = | W | ⇒ η = | QH - QC | ⇒ η = 1 - | QC |
| QH | QH | QH |
| QH = Wab = | n·R·TH·ln Vb |
| Vₐ |
| QC = Wcd = | n·R·TC·ln Vc |
| Vd |
| QC | = | TC |
| QH | TH |
| η = 1 - | TC |
| TH |
Ciclo de refrigeración
Esquema del 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 | ⇒ η = | -QC |
| L | QC - QH |
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.
Autor: Ricardo Santiago Netto. Argentina