Ciclos Termodinamicos

INTRODUCCION

Los ciclos termodinámicos son la aplicación más técnica de la termodinámica, ya que reproducen el comportamiento cíclico del fluido de trabajo de una máquina térmica durante el funcionamiento de ésta. En los apartados siguientes se estudiarán los ciclos termodinámicos más característicos por su carácter didáctico, por sus especiales propiedades o por su aplicabilidad a máquinas térmicas de utilización en la industria o en el transporte.

Es necesario indicar que los ciclos termodinámicos constituyen una referencia teórica, que a menudo no se corresponde con exactitud con la evolución real de un fluido en el interior de una máquina térmica, debido a muchas razones

CICLOS TERMODINAMICOS

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos en los que un sistema parte de una situación inicial y tras aplicar dichos procesos regrese al estado inicial. Como procesos termodinámicos se conoce a la variación de las propiedades termodinámicas del sistema (presión, entropía, volumen, entalpía y temperatura) desde un estado inicial a un estado final.

Al realizar un ciclo completo, la variación de la energía interna debe ser nula por lo tanto el calor transferido por el sistema debe de ser igual al trabajo realizado por el sistema (como dicta la primera ley de la termodinámica). Lo importante es que gracias a esta propiedad se puede obtener trabajo de un sistema mediante un aporte calorífico. Si el rendimiento fuese perfecto todo el calor que se suministra se podría transformar en calor, pero esto no es así ya que hay pérdidas de calor.

Los ciclos termodinámicos más comunes son:

• Ciclo Carnot

• Ciclo Rankine

CICLO DE CARNOT

HISTORIA.

Nicolas Léonard Sadi Carnot (París, 1 de junio de 1796 - 24 de agosto de 1832), normalmente llamado Sadi Carnot fue un ingeniero francés pionero en el estudio de la Termodinámica. Se le reconoce hoy como el fundador de la Termodinámica.

Era hijo de Lazare Carnot, conocido como el Gran Carnot, y tío de Marie François Sadi Carnot, que llegó a ser Presidente de la República Francesa.

Licenciado en la Escuela Politécnica, en 1824 publicó su obra maestra: "Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia", donde expuso las ideas que darían forma al segundo principio de la termodinámica. Estos trabajos, poco comprendidos por parte de sus contemporáneos, fueron más tarde conocidos en Alemania por Rudolf Clausius (que fue quien los difundió) y por William Thomson (Lord Kelvin) en el Reino Unido. Como reconocimiento a las aportaciones del primero, el principio de Carnot se rebautizó como principio de Carnot-Clausius. Este principio permite determinar el máximo rendimiento de una máquina térmica en función de las temperaturas de su fuente caliente y de su fuente fría. Cuando Luis XVIII envió a Carnot a Inglaterra para investigar el elevado rendimiento de sus máquinas de vapor, se dio cuenta que la creencia generalizada de elevar la temperatura lo más posible para obtener el vapor mejoraba el funcionamiento de las máquinas. Poco después descubrió una relación entre las temperaturas del foco caliente y frío y el rendimiento de la máquina. Como corolario se obtiene que ninguna máquina real alcanza el rendimiento teórico de Carnot (obtenido siguiendo el ciclo de Carnot), que es el máximo posible para ese intervalo de temperaturas. Toda máquina que sigue este ciclo de Carnot es conocida como máquina de Carnot.

Sadi Carnot no publicó nada después de 1824 y es probable que él mismo creyera haber fracasado. Su pensamiento es original, único en la historia de la ciencia moderna, pues a diferencia de lo que le sucede a muchos otros científicos, no se apoya en nada anterior y abre un amplio campo a la investigación. Ese libro, ignorado hasta entonces por la comunidad científica de la época, fue rescatado del olvido por el ingeniero ferroviario Émile Clapeyron, que contribuyó con su nueva representación gráfica a hacer más fácil y comprensible la teoría de Carnot. A partir de entonces influyó de manera definitiva en Rudolf Clausius y Lord Kelvin, quienes formularon de una manera matemática las bases de la termodinámica. Murió en 1832, víctima de una epidemia de cólera que asoló París.

El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico reversible que usa un gas perfecto y que consta de cuatro etapas:

1. Expansión isoterma. En la situación inicial el gas se encuentra a la máxima presión, mínimo volumen y la máxima temperatura dada por el foco caliente. En contacto con el foco, el gas se expande (disminuyendo la presión y aumentando el volumen) de forma isoterma (temperatura constante) por lo que se absorbe calor de la fuente.

2. Expansión adiabática. Se aísla térmicamente el recipiente que contiene el gas (por ello no existe transferencia de calor con el exterior) así que continúa expandiéndose pero en esta etapa se consigue además que el gas disminuya su temperatura.

3. Compresión isoterma. En esta etapa se comprime el gas (aumentando presión y disminuyendo el volumen que éste ocupa) manteniendo constante la temperatura. Dada esta situación el gas cede calor al foco frío.

4. Compresión adiabática. Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial.

Una máquina térmica que utilice el ciclo de Carnot se denomina máquina de Carnot y al ser reversible puede funcionar como motor (máquina térmica motora) produciendo trabajo o como frigorífico (máquina térmica generadora) si realiza el ciclo en sentido inverso de forma que al aportar trabajo al sistema éste pueda transferir calor del foco frío al caliente.

TRABAJO DEL CICLO

Por convención de signos, un signo negativo significa lo contrario. Es decir, un trabajo negativo significa que el trabajo es realizado sobre el sistema.

Con este convenio de signos el trabajo obtenido deberá ser, por lo tanto, negativo. Tal como está definido, y despreciando los cambios en energía mecánica, a partir de la primera ley:

Como dU (diferencial de la energía interna) es una diferencial exacta, el valor de U es el mismo al inicio y al final del ciclo, y es independiente del camino, por lo tanto la integral de dU vale cero, con lo que queda

Por lo tanto, en el ciclo el sistema ha realizado un trabajo sobre el exterior.

TEOREMAS DE

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