Ciclos Termodinámicos. Ciclo de Carnot

Procesos Reversibles e Irreversibles

Un proceso es reversible cuando, con un pequeño cambio, puede recorrer su trayectoria a la inversa. En la práctica, esto es imposible, ya que todos los procesos naturales son irreversibles.

El trabajo se obtiene como el área bajo la curva en una gráfica pV. Este trabajo depende del estado inicial y final, y también del camino seguido.

Motor Térmico. Máquina Frigorífica

Un motor térmico transforma energía térmica en energía mecánica utilizable para producir trabajo.

Para producir trabajo neto, el motor térmico debe funcionar entre dos focos de calor: uno caliente y otro frío. La diferencia entre Q_c (calor del foco caliente) y Q_f (calor del foco frío) será el trabajo realizado.

Una máquina frigorífica es un motor térmico que funciona en sentido inverso. En un frigorífico doméstico, Q_f representa el calor extraído del interior, W es el trabajo realizado por el motor, y Q_c es el calor cedido al exterior.

Ciclo de Carnot

A. 1-2: Expansión Isoterma    B. 2-3: Expansión Adiabática
C. 3-4: Compresión Isoterma    D. 4-1: Compresión Adiabática

A. T=cte: Al absorber Q_c del foco caliente, el gas se expande manteniendo su temperatura constante. Todo el Q_c se transforma en W.

B. Q=cte: Sin intercambio de calor (adiabáticamente), el fluido se expande, se enfría y realiza trabajo.

C. T=cte: Al comprimirse, tiende a calentarse, pero mantiene la temperatura constante cediendo Q_f al foco frío. Esto requiere trabajo externo (W).

D. Q=cte: El fluido se comprime adiabáticamente, elevando su temperatura hasta la inicial. Esto requiere trabajo externo (W).

Carnot demostró que el rendimiento máximo teórico de una máquina térmica solo depende de las temperaturas (en Kelvin) del foco frío y del foco caliente, según la fórmula (no incluida en el texto original).

Clasificación de Motores Térmicos

Motores de Combustión Externa

El calor del combustible se transfiere a un fluido intermedio, que produce la energía mecánica. Ejemplos: máquinas de vapor y turbinas de vapor.

Motores de Combustión Interna

La combustión ocurre dentro del motor, y los gases generados causan el movimiento directamente. Ejemplos: motores diésel y turbohélices.

Motor Rotativo de Combustión Externa. Turbina

El vapor se expande en una turbina, pasando por toberas donde pierde presión, gana velocidad e incide tangencialmente sobre la turbina.

Motores de Combustión Interna

Motores Rotativos. Turbina de Gas

Los principales elementos de la turbina de gas son:
®Compresor. Se suelen emplear compresores de tipo axial y radial para aprovechar el gran caudal de aire que pueden suministrar.
®Cámara de combustión. Es el lugar adonde llega el aire comprimido, al que se le inyecta combustible pulverizado mediante los inyectores.
®Turbina. La mezcla de aire con el combustible es lanzada con energía cinética contra los álabes del motor y pierde su energía cinética para transformarse en mecánica que se aprovecha para mover el compresor.
Ciclo termodinámico de la turbina de gas. Rendimiento
El ciclo que sigue una turbina de gas es el ciclo de Brayton o Joule. Así, las etapas seguidas son:
®En 1 entra la unidad de masa de aire a la temperatura y presión ambientes. En el compresor, sin intercambio de calor con el exterior (adiabática), este aire aumenta su presión y temperatura hasta el punto 2.
®Desde el punto 2 al 3 la presión se mantiene constante, pero el aire toma contacto con el combustible que entra por los inyectores elevándose la temperatura des T₂ hasta T₃.
®Los gases se expanden adiabáticamente de 3 a 4 con lo que disminuye la temperatura y la presión, a costa de lo cual se ha cedido trabajo en la turbina.
®Ya en la atmósfera, los gases resultantes de la combustión ceden calor residual al ambiente a la presión exterior, con lo que la temperatura disminuye hasta la temperatura ambiente.

Motores de combustión interna alternativos
Son los que transforman la energía térmica en energía mecánica mediante uno o varios pistones. El motor realiza sobre el fluido de trabajo un ciclo operativo. Éste puede ser de dos tipos: ciclo de cuatro tiempos y ciclo de dos tiempos.
El ciclo de cuatro tiempos:
®Admisión. El pistón al descender desde el PMS, crea un cierto vacío en el cilindro que hace que éste aspire el aire o la mezcla gaseosa combustible a través de la válvula de admisión.
®Compresión. La válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al PMI, momento en el cual éste comienza a subir de nuevo comprimiendo la carga hasta llegar al PMS.
®Expansión. Instantes antes de que finalice la carrera de compresión se produce la inflamación del combustible, con aumento de presión y temperatura. El pistón es proyectado hacia abajo y se produce el trabajo.
®Escape. Una vez el pistón ha llegado al PMI se abre la válvula de escape, el pistón asciende y los gases de la combustión son evacuados al exterior. Cuando llega al PMS la válvula de escape se cierra y comienza de nuevo el ciclo abriéndose la válvula de admisión.
El ciclo de dos tiempos:
®Primer tiempo. Cuando el pistón está en el PMS se produce la inflamación. Entonces, los gases se expanden hasta que el pistón abre la lumbrera de escape, por donde se evacua el gas. A medida que el pistón baja, comprime la mezcla del cárter y se abre la comunicación cilindro-cárter.
®Segundo tiempo. El pistón comienza a subir desde el PMI, contemplando la fase de barrido y admisión hasta que se cierran las lumbreras de admisión y escape. En ese momento comienza la combustión hasta llegar al PMS. La lumbrera de admisión queda abierta y entra fluido en el cárter.
Ciclos termodinámicos de los MEP y los MEC
El ciclo teórico para el estudio de los motores de encendido provocado es el siguiente:
®Tramo 0-1. Admisión.
®Tramo 1-2. Compresión adiabática donde Q es constante. Se introduce W.
®Tramo 2-3. Explosión y absorción instantánea de calor. Tiene lugar a V constante.
®Tramo 3-4. Expansión adiabática del pistón. Se produce W.
®Tramo 4-1. Escape de los gases, al abrirse la válvula correspondiente, con lo que hay un descenso brusco de la presión.
®Tramo 1-0. Expulsión de los gases.

El ciclo teórico para el estudio de los motores de encendido por compresión es el siguiente:
®Tramo 0-1. Admisión.
®Tramo 1-2. Compresión adiabática. Al finalizar la compresión se llegan a alcanzar temperaturas próximas a los 600 ºC, lo que provoca la ignición del combustible.
®Tramo 2-3. Absorción de calor que se realiza manteniendo la presión constante. Dicho calor lo aporta la combustión progresiva del combustible que se inyecta.
®Tramo 3-4. Expansión adiabática.
®Tramo 4-1. Cesión de calor manteniendo el volumen constante. Este calor se queda en los gases de escape que serán arrastrados al abrirse la correspondiente válvula.
®Tramo 1-0. Expulsión de gases.