Gobierno Bolivariano de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria ciencia y tecnología
Universidad Politécnica Territorial “José Antonio Anzoátegui” El Tigre, Estado Anzoátegui
MISIÓN MISIÓN SUCRE
CICLOS TERMODINÁMICOS
Profesora: Ing. Marianela Hernández
Bachilleres: Dayanit Flores Richard Pardo Alexander Almerida Jhonner Reyes Diomar Moreno Alejandra Siila MM!"#$"
%$ INTRODUCCIÓN
Res<a 'til tratar los (rocesos termodinámicos asándose en ciclos) (rocesos *&e de+&el+en &n sistema a s& estado original des(&,s de &na serie de -ases de manera *&e todas las +ariales termodinámicas rele+antes +&el+en a tomar s&s +alores originales. /n &n ciclo com(leto la energ0a interna de &n sistema no (&ede camiar (&esto *&e s1lo de(ende de dichas +ariales. Por tanto el calor total neto trans-erido al sistema dee ser ig&al al traajo total neto realizado (or el sistema. 2n motor t,rmico de e-iciencia (er-ecta realizar0a &n ciclo ideal en el *&e todo el calor se con+ertir0a en traajo mecánico. $odos estos estos motores motores t,rmic t,rmicos os &tili &tilizan zan la energ0a energ0a *&0mic *&0micaa almacen almacenada ada en los com&stiles y la trans-orman en energ0a mecánica. /sta energ0a mecánica (&ede tener las más +ariadas a(licaciones llegando incl&so a (oder &tilizarse (ara generar 3o más ien trans-ormarse4 energ0a el,ctrica. Seg'n donde y como se realice la com&sti1n.
Plantas de energía 5as (lantas de energ0as) son a*&ellas *&e se encargan de realizar la trans-ormaci1n de &na energ0a en lo *&e es la energ0a el,ctrica. /sta energ0a *&e &na generadora (&ede trans-ormar (&ede ser *&0mica n&clear solar y l&m0nica.
El ciclo de Carnot Se de-ine ciclo de 6arnot como &n (roceso c0clico re+ersile *&e &tiliza &n gas (er-ecto y *&e consta de dos trans-ormaciones isot,rmicas y dos adiaáticas tal como se m&estra en la -ig&ra.
5a re(resentaci1n grá-ica del ciclo de 6arnot en &n diagrama (#7 es el sig&iente
$ramo A#8 isoterma a la tem(erat&ra T 1 $ramo 8#6 adiaática $ramo 6#D isoterma a la tem(erat&ra T 2 $ramo D#A adiaática
/n c&al*&ier ciclo tenemos *&e otener a (artir de los datos iniciales)
5a (resi1n +ol&men de cada &no de los +,rtices.
/l traajo el calor y la +ariaci1n de energ0a interna en cada &na de los (rocesos.
/l traajo total el calor asorido el calor cedido y el rendimiento del ciclo. 5os datos iniciales son los *&e -ig&ran en la tala adj&nta. A (artir de estos datos
hemos de rellenar los h&ecos de la tala.
Variables
B
Presi1n p 3atm4
p A
7ol&men v 3litros4
v A
v B
$em(erat&ra T 394
T 1
T 1
C
D
T 2
T 2
!as eta"as del ciclo Para otener las +ariales y magnit&des desconocidas em(learemos las -1rm&las *&e -ig&ran en el c&adro#res&men de las trans-ormaciones termodinámicas. :. Transfor#aci$n %&B 'isoter#a( 5a (resi1n p B se calc&la a (artir de la ec&aci1n del gas ideal 7ariaci1n de energ0a interna
$raajo 6alor
". Transfor#aci$n B%&C 'adiab)tica( 5a ec&aci1n de estado adiaática es
o ien
la ec&aci1n de la adiaática de la ec&aci1n del gas ideal. 6alor
. 6onocido vc y T 2 se
.
. Se des(eja vc de otiene pc a (artir
7ariaci1n de energ0a interna $raajo
;. Transfor#aci$n C%&D 'isoter#a( 7ariaci1n de energ0a interna
$raajo 6alor
<. Transfor#aci$n D%& 'adiab)tica( Se des(eja v D de la ec&aci1n de la adiaática otiene p D a (artir de la ec&aci1n del gas ideal. 6alor 7ariaci1n de energ0a interna $raajo
El ciclo co#"leto
Variaci$n de energía interna
. 6onocido v D y T 2 se
.
/n &n (roceso c0clico re+ersile la +ariaci1n de energ0a interna es cero
Traba*o
5os traajos en las trans-ormaciones adiaáticas son ig&ales y o(&estos. A (artir de las ec&aciones de las dos adiaáticas la relaci1n entre los +ol'menes de los +,rtices
es
lo *&e nos cond&ce a la ex(resi1n -inal (ara el traajo.
Calor
/n la isoterma T 1 se asore calor Q=! ya *&e v B>v A de modo *&e /n la isoterma T 2 se cede calor Q>! ya *&e v D
Rendi#iento del ciclo
Se de-ine rendimiento como el cociente entre el traajo realizado y el calor asorido
+otor ,tirling /l motor Stirling -&e originalmente in+entado (or Sir Roert Stirling -raile escoc,s hacia :?:%. /n s&s inicios com(iti1 e-ecti+amente con el motor a +a(or. Perdi1 inter,s
des(&,s del desarrollo del motor de com&sti1n interna y ha retomado inter,s en los 'ltimos a@os (or +arias caracter0sticas m&y -a+orales *&e tiene. /n (artic&lar)
Rendi#iento: como +eremos el motor Stirling tiene el (otencial de alcanzar el rendimiento de 6arnot lo c&al le (ermite te1ricamente alcanzar el l0mite máximo de rendimiento.
-.ente de Calor E/terna: este motor intercamia el calor con el exterior (or lo tanto es ada(tale a &na gran gama de -&entes de calor (ara s& o(eraci1n. Se han constr&ido motores Stirling *&e &san como -&ente de calor la energ0a n&clear energ0a solar com&stiles -1siles calor de desecho de (rocesos etc. Al ser de com&sti1n externa el (roceso de com&sti1n se (&ede controlar m&y ien (or lo c&al se red&cen las emisiones.
Ciclo cerrado: el -l&ido de traajo o(era en &n ciclo cerrado y la -&ente de calor es externa. /sto hace *&e este motor sea (otencialmente de m&y ajo ni+el de emisiones.
Ciclo ,tirling Te$rico:
0 Descri"ci$n del Ciclo: /l ciclo Stirling $e1rico está com(&esto (or dos e+ol&ciones a 7ol&men constante y dos e+ol&ciones isot,rmicas &na a Tc y la seg&nda a Tf . /ste *&eda il&strado en la fig.ra 01 /l -l&ido de traajo se s&(one es &n gas (er-ecto. /n el ciclo te1rico hay &n as(ecto im(ortante *&e es la existencia de &n regenerador1 /ste tiene la (ro(iedad de (oder asorer y ceder calor en las e+ol&ciones a +ol&men constante del ciclo. Si no existe regenerador el motor tami,n -&nciona (ero s& rendimiento es in-erior. Hay alg&nos as(ectos ásicos a
entender en la o(eraci1n de &n motor Stirling)
/l motor tiene dos (istones y el regenerador. /l regenerador di+ide al motor en dos zonas &na zona caliente y &na zona -r0a.
/l regenerador es &n medio (oroso ca(az de asorer o ceder calor y con cond&cti+idad t,rmica des(reciale.
/l -l&ido de traajo está encerrado en el motor y los (istones lo des(lazan de la zona caliente a la -r0a o +ice +ersa en ciertas eta(as del ciclo. Por lo tanto se trata de &n ciclo cerrado.
6&ando se des(laza el -l&ido desde la zona caliente a la -r0a 3o al re+,s4 este atra+iesa el regenerador.
/l mo+imiento de los (istones es sincronizado (ara *&e se otenga traajo 'til.
Se s&(one *&e el +ol&men m&erto es cero y el +ol&men de gas dentro del regenerador es des(reciale en el caso del ciclo te1rico. 6omo en el ciclo real esto no oc&rre el rendimiento es algo in-erior.
/n el ciclo te1rico se s&(one *&e la e-iciencia del regenerador es de &n :!!. /s decir de+&el+e todo el calor almacenado y además con rec&(eraci1n total de tem(erat&ras.
5a descri(ci1n del ciclo es como sig&e)
/n 0 el cilindro -r0o está a máximo +ol&men y el cilindro caliente está a +ol&men m0nimo (egado al regenerador. /l regenerador se s&(one está BcargadoB de calor 3&na disc&si1n más extensa sore este (&nto se +e en el (árra-o sore el regenerador 4. /l -l&ido de traajo está a Tf a +ol&men máximo V#a/ y a "0.
/ntre 0 2 3 se extrae la cantidad 4f de calor del cilindro 3(or el lado -r0o4. /l (roceso se realiza a
Tf constante. Por lo tanto al -inal 3en 34 se estará a +ol&men m0nimo V#in Tf y "3. /l (ist1n de la zona caliente no se ha des(lazado. /n esta e+ol&ci1n es sistema asore traajo.
/ntre 3 2 5 los dos (istones se des(lazan en -orma (aralela. /sto hace *&e todo el -l&ido atra+iese el regenerador. Al oc&rrir esto el -l&ido asore la cantidad 46 de calor y ele+a s& tem(erat&ra de Tf a Tc. Por lo tanto al -inal 3en
54 se estará a Tc V#iny "5. /l regenerador *&eda BdescargadoB. /n esta e+ol&ci1n el traajo neto asorido es cero 3sal+o (or (,rdidas (or roce al atra+esar el -l&ido el regenerador4.
/ntre 5 2 7 el (ist1n -r0o *&eda j&nto al lado -r0o del
regenerador
y
el
caliente
sig&e
des(lazándose hacia &n mayor +ol&men. Se asore la cantidad de calor 4c y el (roceso es 3idealmente4 isot,rmico. Al -inal el -l&ido de traajo está a Tc el +ol&men es V#a/ y la (resi1n es "7.
Finalmente los dos (istones se des(lazan en -orma (aralela de 7 a 0 haciendo atra+esar el -l&ido de traajo al regenerador. Al oc&rrir esto el -l&ido cede calor al regenerador este se carga de calor la tem(erat&ra del -l&ido aja de Tc a
Tf y la (resi1n aja de "7 a "0. Al -inal de la e+ol&ci1n el -l&ido está a V#a/ "0 y Tf . /l regenerador sig&e CcargadoB de calor.
3 Rendi#iento del Ciclo: S&(ongamos *&e el -l&ido de traajo es &n gas (er-ecto. De ac&erdo al Seg&ndo Princi(io el rendimiento del ciclo será) n : #*cedEas 5o c&al se (&ede escriir como) n 3cG#-G4E3cG4 Ahora ien es -ácil demostrar *&e # en magnit&d 3solo de signos o(&estos4 en el caso de &n gas (er-ecto (&es se trata de calentamientos o en-riamientos a +ol&men constante entre las mismas dos tem(erat&ras es decir) 6+3$c#$-4 # # 6+3$-#$c4 Por lo tanto en el n&merador y se an&lan as0 *&e el rendimiento *&eda como) n 3c#-4E3cG4 Ahora ien +emos *&e si el regenerador -&nciona se logra rec&(erar el calor (ara *&e sir+a como . Además solo en el (rimer ciclo será necesario a(ortar el calor externo . De all0 en adelante se rec&(era en -orma interna (or lo tanto el rendimiento *&eda como) n 3c#-4E3c4 6omo la e+ol&ci1n :#" es isot,rmica a $- se tiene *&e)
- R$-ln3("E(:4 = #- R$- ln3(:E("4 y c R$c ln3(
Ciclo de Ericsson /n este ciclo termodinámico tami,n re+ersile y (or tanto nos da el rendimiento máximo *&e se (&ede otener de la má*&ina el -l&ido e+ol&ciona realizando dos trans-ormaciones isotermas y dos isoáricas tal como se (&ede oser+ar en la -ig&ra adj&nta)
Ciclo Di8sel /l ciclo de di,sel es &n motor de encendido (or com(resi1n 3en l&gar de encendido (or chis(a4. /l com&stile atomizado se inyecta en el cilindro en (" 3alta (resi1n4 c&ando
la com(resi1n se com(leta y hay encendido sin &na chis(a. /n la -ig&ra se m&estra &n ciclo idealizado de motor di,sel.
Diagrama (#+.# 6iclo ideal Di,sel 3Motor di,sel de aire estándar4 /l ciclo di,sel es el ciclo ideal (ara motores de encendido (or com(resi1n. 5a &j0a es s&stit&ida (or &n inyector de com&stile en los motores di,sel. /n este motor se as&me *&e la adici1n de calor se (rod&ce d&rante &n (roceso a (resi1n constante *&e se inicia con el (ist1n en el (&nto m&erto s&(erior. /l ciclo de aire estándar di,sel consiste de la sig&iente sec&encia de (rocesos internos re+ersiles) :. 6om(resi1n isentr1(ica ". Adici1n de calor a (resi1n constante ;. /x(ansi1n isentr1(ica
Recha9o de calor de ol.#en constante
Ciclo Otto /s el ciclo termodinámico *&e se a(lica al Motor de 6om&sti1n Interna de encendido (ro+ocado 3motores de gasolina4. Se caracteriza (or*&e en &na (rimera a(roximaci1n te1rica todo el calor se a(orta a +ol&men constante. Hay dos ti(os de motores *&e se rigen (or el ciclo de Ltto los de dos tiem(os y los de c&atro tiem(os *&e j&nto con el motor a di,sel son los dos ti(os más &tilizados en la act&alidad.
Ciclo de c.atro tie#"os '7T( /l ciclo consta de seis (rocesos dos de los c&ales no (artici(an en el ciclo termodinámico del -l&ido o(erante (ero son -&ndamentales (ara la reno+aci1n de la carga del mismo) /#A) admisi1n a (resi1n constante 3reno+aci1n de la carga4 A#8) com(resi1n isoentr1(ica 8#6) com&sti1n a(orte de calor a +ol&men constante. 5a (resi1n se ele+a rá(idamente antes de comenzar el tiem(o 'til 6#D) -&erza ex(ansi1n isoentr1(ica o (arte del ciclo *&e entrega traajo D#A) /sca(e cesi1n del calor resid&al al amiente a +ol&men constante A#/) /sca(e +aciado de la cámara a (resi1n constante 3reno+aci1n de la carga4
Ciclo de dos tie#"os '3T(
:. 3Admisi1n # 6om(resi1n4. 6&ando el (ist1n alcanza el PMI 3P&nto M&erto In-erior4 em(ieza a des(lazarse hasta el PMS 3P&nto M&erto S&(erior4 creando &na di-erencia de (resi1n *&e as(ira la mezcla de aire y gasolina (or la l&mrera de admisi1n hacia el cárter de (recom(resi1n. 3/sto no signi-ica *&e entre de -orma aseosa4. 6&ando el (ist1n ta(a la l&mrera deja de entrar mezcla y d&rante el resto del recorrido descendente el (ist1n la com(rime en el cárter in-erior hasta *&e se desc&re la l&mrera de trans-erencia *&e lo com&nica con la cámara de com(resi1n con lo *&e la mezcla -resca (recom(rimida ay&da a ex(&lsar los gases *&emados del esca(e 3reno+aci1n de la carga4 ". 3/x(ansi1n # /sca(e de ases4. 2na +ez *&e el (ist1n ha alcanzado el PMS y la mezcla está com(rimida se la enciende (or &na chis(a entre los dos electrodos de la &j0a lierando energ0a y alcanzando altas (resiones y tem(erat&ras en el cilindro. /l (ist1n se des(laza hacia aajo realizando traajo hasta *&e se desc&re la l&mrera de esca(e. Al estar a altas (resiones los gases *&emados salen (or ese ori-icio. /l rendimiento de este motor es in-erior res(ecto al motor de < tiem(os ya *&e tiene &n rendimiento +ol&m,trico menor y el esca(e de gases es menos e-icaz. $ami,n son más contaminantes. Por otro lado s&elen dar más (ar motor en la &nidad de tiem(o 3(otencia4 (ara la misma cilindrada ya *&e este hace &na ex(losi1n en cada re+ol&ci1n mientras el motor de < tiem(os hace &na ex(losi1n (or cada " re+ol&ciones y c&enta con más (artes m1+iles. /n el (asado -&eron s&mamente (o(&lares (or s&s ele+adas (restaciones en las motocicletas hasta &na cierta cilindrada ya *&e al a&mentar ,sta s& cons&mo era excesi+o. Nste ti(o de motores se &tilizan mayoritariamente en motores de (oca cilindrada 3ciclomotores desrozadoras cortasetos motosierras etc4 ya *&e es más arato y sencillo de constr&ir y s& emisi1n de contaminantes ele+ada es m&y aja en +alor asol&to.
Eficiencia 5a e-iciencia o rendimiento t,rmico de &n motor de este ti(o de(ende de la relaci1n de com(resi1n (ro(orci1n entre los +ol'menes máximo y m0nimo de la cámara de com&sti1n. /sta (ro(orci1n s&ele ser de ? a : hasta :! a : en la mayor0a de los motores Ltto modernos. Se (&eden &tilizar (ro(orciones mayores como de :" a : a&mentando as0 la e-iciencia del motor (ero este dise@o re*&iere la &tilizaci1n de com&stiles de alto 0ndice de octanos (ara e+itar la detonaci1n. 2na relaci1n de com(resi1n aja no re*&iere
com&stile con alto n'mero de octanos (ara e+itar este -en1menoO de la misma manera &na com(resi1n alta re*&iere &n com&stile de alto n'mero de octanos (ara e+itar los e-ectos de la detonaci1n es decir *&e se (rod&zca &na a&to ignici1n del com&stile antes de (rod&cirse la chis(a en la &j0a. /l rendimiento medio de &n &en motor Ltto de < tiem(os es de &n " a &n ;! in-erior al rendimiento alcanzado con motores di,sel *&e llegan a rendimientos del ;! al < deido (recisamente a s& mayor relaci1n de com(resi1n.
Ciclo Bra2ton /l 6iclo 8raytones &n (roceso c0clico asociado generalmente a &na t&rina a gas. Al ig&al *&e otros ciclos de (otencia de com&sti1n interna el ciclo 8rayton es &n sistema aierto a&n*&e (ara &n análisis termodinámico es con+eniente as&mir *&e los gases de esca(e son re&tilizados en el ingreso (ermitiendo el análisis como sistema cerrado. 2n motor 8rayton está com(&esto (or tres com(onentes)
2n com(resor 2n *&emador 3o cámara de com&sti1n4 2na t&rina
El ciclo Ran;ine /l ciclo RanQine o(era con +a(or y es el &tilizado en las centrales termoel,ctricas. 6onsiste en calentar ag&a en &na caldera hasta e+a(orarla y ele+ar la (resi1n del +a(or *&e se hace incidir sore los álaes de &na t&rina donde (ierde (resi1n
(rod&ciendo
energ0a
cin,tica. Prosig&e el ciclo hacia &n condensador donde el -l&ido se lic'a
(ara
(osteriormente
introd&cirlo en &na oma *&e de n&e+o a&mentará la (resi1n y ser de n&e+o introd&cido en la caldera. 5a
re(resentaci1n
en
diagrama (#7 de ciclos en los *&e el -l&ido se +a(oriza (resentan &na di-erencia con res(ecto a los ciclos de gas ya *&e a(arece &na cam(ana llamada de camio de -ase. A la iz*&ierda corres(onde al estado l0*&ido en el *&e (rácticamente no hay modi-icaciones de +ol&men c&ando se a&menta s& tem(erat&ra o s& (resi1n. Por ello las isotermas son (rácticamente +erticales. A la derecha corres(onde al estado +a(or a*&0 el -l&ido se com(orta como &n gas y (or ello las isotermas son m&y (arecidas a las de los gases ideales.
Dentro de la cam(ana el -l&ido se está e+a(orando y las isotermas son horizontales. /sto es as0 (or*&, dada &na (resi1n el calor *&e se le a(orta al -l&ido no se em(lea en ele+ar la tem(erat&ra sino en s& e+a(oraci1n. /l rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo *&e el ciclo de 6arnot a&n*&e no alcanza +alores tan ele+ados.
/l ciclo de RanQine es en el *&e se asaan las antig&as má*&inas de +a(or y locomotoras &tilizaan &n cilindro de dole e-ecto con &n com(onente des(lazale llamado corredera *&e dirig0a el +a(or a &n lado & otro del (ist1n. Analicemos más des(acio las eta(as del ciclo)
/n la trans-ormaci1n :#" a&menta la (resi1n del l0*&ido sin (,rdidas de calor (or medio de &n com(resor con a(ortaci1n de &n traajo mecánico externo.
/n la trans-ormaci1n "#; se a(orta calor al -l&ido a (resi1n constante en &na caldera con lo *&e se e+a(ora todo el l0*&ido ele+ándose la tem(erat&ra del +a(or al máximo.
5a trans-ormaci1n ;#< es &na ex(ansi1n adiaática con lo *&e el +a(or a alta (resi1n realiza &n traajo en la t&rina.
5a trans-ormaci1n <#:consiste en re-rigerar el -l&ido +a(orizado a (resi1n constante en el condensador hasta +ol+er a con+ertirlo en l0*&ido y comenzar de n&e+o el ciclo. Para o(timizar el a(ro+echamiento del com&stile se somete al -l&ido a ciertos
(rocesos (ara tratar de incrementar el área encerrada en el diagrama (#7.
Precalentamiento del ag&a com(rimida <# a(ro+echando el calor de los gases *&e salen (or la chimenea de la caldera. 6on esto no se a&menta el área del diagrama (ero se red&ce el calor *&e hay *&e introd&cir al ciclo.
Recalentamiento del +a(or *&e ha (asado (or la t&rina #% haci,ndolo (asar (or la caldera y des(&,s (or otra t&rina de aja (resi1n.
CONC!U,IÓN
/n los (rocesos termodinámicos las má*&inas o motores t,rmicos con+ierten energ0a t,rmica en energ0a mecánica o +ice+ersa. Seg'n la teor0a termodinámica ning&na má*&ina t,rmica (&ede tener &na e-iciencia s&(erior a la del (roceso re+ersile de 6arnot denominado tami,n ciclo de 6arnot. 2na serie de ciclos termodinámicos se descriieron como)
El ciclo Bre2ton< *&e consiste en t&rinas de +a(or y motores de reacci1n. El ciclo Otto< am(liamente &tilizado en el sector de la a&tomoci1n. El ciclo Diesel< m&y &tilizado en na+egaci1n mar0tima -errocarriles y a&tom1+iles. El ciclo ,terling< m&y (arecido al ciclo ideal de 6arnot y *&e s&ele &tilizar aire & otro gas como -l&ido de traajo. /ste ciclo tami,n se em(lea en el omeo solar de ag&a.
El ciclo Ericsson< *&e &tiliza aire caliente como -l&ido de traajo y *&e está es(ec0-icamente (ensado (ara a(licaciones solares.
El ciclo Ran;ine< la con+ersi1n de calor en traajo constit¥do lo *&e se denomina &n ciclo de (otencia. $odos estos m,todos (recisan de e*&i(os es(ec0-icos (ara cada ti(o y en ellos se enmarcan los motores de &so generalizado en a&tomoci1n de am(lia &tilizaci1n.