Universidad Técnica Nacional
Sede del Pacífico
Ingeniería en Producción Industrial
Termodinámica
IPRI-1112
“Ciclos Termodinámicos y Ciclo de Carnot”
Profesor: Luis Alberto Rojas Monte Alegre
Autores:
Nelly Prado Rojas.
Keiryn Paola Quirós Ramírez.
INTRODUCCIÓN
La presente investigación se refiere a los temas de Ciclos termodinámicos y Ciclo de Carnot cuyo enfoque se amplía en el estudio,
en la aplicación y análisis de diferentes ciclos y su importancia y la aplicación en el área laboral.
Como se sabe el ciclo termodinámico es un conjunto de aplicaciones técnicas de la termodinámica y desarrolla el comportamiento de ciclo de
fluido de trabajo de una maquina térmica cuando esta está en función corresponden con análisis de un fluido en el interior de una máquina térmica, debido a muchas razones como son: las irreversibilidades de los procesos, las pérdidas de calor, las fugas másicas, las pérdidas de carga en los conductos, la heterogeneidad de los fluidos circulantes, y
debido igualmente a otros fenómenos de compleja simulación.
Es de suma importancia analizar los cuatro ciclos termodinámicos llamados ciclo de Carnot, Ericsson, Stirling y Rankin más importantes y cada uno de estos ciclos tienen una función en específica.
El ciclo de Carnot se refiere a las máquinas térmicas y son dispositivos de cíclicos y el fluido de trabajo de una de estas máquinas vuelve a su estado inicial al final de cada ciclo. Los ciclos reversibles también sirven como puntos de partida en el desarrollo de ciclos reales y se modifican según sea necesario para satisfacer ciertos requerimientos.
La máquina térmica teórica que opera en el ciclo de Carnot se llama máquina térmica de Carnot, cuyo ciclo se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos que se mantienen a temperatura constante y dos adiabáticos que no permite el intercambio de calor con otros
sistemas, y que es posible llevar a cabo en un sistema cerrado o de flujo estacionario.
La segunda ley de la termodinámica restringe la operación de dispositivos cíclicos según se expresa mediante los enunciados de
Kelvin-Planck y Clausius se da referencia al principio de Carnot que dice queuna máquina térmica no puede operar intercambiando calor con un solo depósito y un refrigerador no puede funcionar sin una entrada neta de energía de una fuente externa.
DESARROLLO
Ciclos Termodinámicos
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. 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
irreversibilidades de los procesos, las pérdidas de calor, las fugas másicas, las pérdidas de carga en los conductos, la heterogeneidad de los fluidos circulantes, y debido igualmente a otros fenómenos de compleja simulación. En este sentido puede afirmarse que los ciclos
termodinámicos son los modelos matemáticos más sencillos, dentro del amplio espectro de modelos que pretenden simular el comportamiento de las máquinas térmicas. Los ciclos termodinámicos pueden clasificarse de las siguientes formas:
❖ Ciclos directos y ciclos inversos.
Los primeros son los de aplicación a máquinas térmicas, y recorren los diagramas típicos de representación (p-v, T-s, h-s) en sentido horario. Los ciclos inversos son de aplicación a máquinas frigoríficas y recorren
los diagramas típicos (p-h, h-s) en sentido anti horario.
❖ Ciclos para sistemas abiertos y ciclos para sistemas cerrados.
Los primeros son de aplicación a máquinas de flujo continuo. Cada una de las máquinas que componen la instalación tiene una permanente renovación del fluido, aunque en su conjunto el sistema puede recircular el flujo por completo. Su representación gráfica más habitual son los
❖ Ciclos de fluido condensable y ciclos de fluido no condensable.
En los primeros el fluido cambia de fase durante su evolución, de modo que durante un tramo del ciclo el fluido es líquido y en el otro es vapor.
Debido a las características del fluido, suele recircularse éste por completo, y se aplican siempre a máquinas de flujo continuo. En los ciclos de fluido no condensable, el fluido (gaseoso) no cambia de fase. Pueden ser de ciclo cerrado o de ciclo abierto. Esta última condición
paradójica se refiere a que el gas, por haber sufrido una transformación química (proceso de combustión) se expulsa al final del ciclo al mismo tiempo que se renueva la carga con gas fresco. El ciclo, pues, se cierra de forma imaginaria para retornar a las condiciones termodinámicas iniciales. Los ciclos de fluido no condensable son de aplicación tanto en
máquinas de flujo continuo como en máquinas de desplazamiento positivo.
❖ Ciclos directos para sistemas abiertos con fluido condensab le
Estos ciclos, como todos los que pueden definirse para sistemas abiertos, suelen trabajar entre dos niveles de presión claramente definidos, que se mantienen prácticamente constantes durante la
circulación del flujo salvo ligeras pérdidas de presión provocadas por el rozamiento de éste con las paredes de los conductos, necesarios para conectar los distintos elementos de una máquina térmica de flujo continuo. Por eso se maneja como parámetro característico del ciclo la relación de compresión, r p, definida como el cociente entre las
EL CICLO DE CARNOT
Las máquinas térmicas son dispositivos cíclicos y que el fluido de trabajo de una de estas máquinas vuelve a su estado inicial al final de cada ciclo. Durante una parte del ciclo el fluido realiza trabajo y durante otra se hace trabajo sobre el fluido. La diferencia entre estos dos trabajos es el trabajo neto que entrega la máquina térmica. La eficiencia
mediante procesos que requieren la mínima cantidad de trabajo y entregan lo más posible, es decir, mediante procesos reversibles. Por lo tanto, no es sorprendente que los ciclos más eficientes sean los reversibles, o sea, ciclos que consisten por completo en procesos
reversibles.
En la práctica no es posible lograr ciclos reversibles porque no se pueden eliminar las irreversibilidades relacionadas con cada proceso. Sin embargo, los ciclos reversibles proporcionan límites superiores al desempeño de los ciclos reales. Las máquinas térmicas y los refrigeradores que funcionan en ciclos reversibles sirven como modelos
necesario para satisfacer ciertos requerimientos. Es probable que el ciclo reversible más conocido sea el ciclo de Carnot, propuesto en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot. La máquina térmica teórica que opera en el ciclo de Carnot se llama máquina térmica de Carnot, cuyo
ciclo se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos, y que es posible llevar a cabo en un sistema cerrado o de flujo estacionario. Considere un sistema cerrado conformado por un gas contenido en un dispositivo de cilindro-émbolo adiabático, como se
ilustra en la figura 6-37. El aislamiento de la cabeza del cilindro es tal que puede ser eliminado para poner al cilindro en contacto con depósitos que proporcionan transferencia de calor. Los cuatro procesos reversibles que conforman el ciclo de Carnot son los siguientes:
➢ Expansión isotérmica reversible (proceso 1-2, TH constante). Inicialmente (estado 1), la temperatura del gas es TH y la cabeza del cilindro está en contacto estrecho con una fuente a temperatura TH. Se permite que el gas se expanda lentamente y
que realice trabajo sobre los alrededores. Cuando el gas se expande su temperatura tiende a disminuir, pero tan pronto como disminuye la temperatura en una cantidad infinitesimal dT, cierta cantidad de calor se transfiere del depósito hacia el gas, de modo
que la temperatura de éste se eleva a TH. Así, la temperatura del gas se mantiene constante en TH. Como la diferencia de temperatura entre el gas y el depósito nunca excede una cantidad diferencial dT, éste es un proceso reversible de transferencia de
2. La cantidad de calor total transferido al gas durante este proceso es QH.
➢ Expansión adiabática reversible (proceso 2-3, la temperatura disminuye de TH a TL). En el estado 2, el depósito que estuvo en contacto con la cabeza del cilindro se elimina y se reemplaza por aislamiento para que el sistema se vuelva adiabático. El gas continúa expandiéndose lentamente y realiza trabajo sobre los alrededores hasta que su temperatura disminuye de TH a TL
(estado 3). Se supone que el émbolo no experimenta fricción y el proceso está en cuasi equilibrio, de modo que el proceso es reversible, así como adiabático.
del cilindro y se pone a éste en contacto con un sumidero a temperatura TL. Después una fuerza externa empuja al cilindro hacia el interior, de modo que se realiza trabajo sobre el gas. A medida que el gas se comprime, su temperatura tiende a
incrementarse, pero tan pronto como aumenta una cantidad infinitesimal dT, el calor se transfiere desde el gas hacia el sumidero, lo que causa que la temperatura del gas descienda a TL. Así, la temperatura del gas permanece constante en TL. Como
la diferencia de temperatura entre el gas y el sumidero nunca excede una cantidad diferencial dT, éste es un proceso de transferencia de calor reversible, el cual continúa hasta que el émbolo alcanza el estado 4. La cantidad de calor rechazado del gas durante este proceso es QL.
➢ Compresión adiabática reversible (proceso 4-1, la temperatura sube de TL a TH). El estado 4 es tal que cuando se elimina el depósito de baja temperatura, se coloca el aislamiento de nuevo en la cabeza del cilindro y se comprime el gas de manera reversible, entonces el gas vuelve a su estado inicial
de compresión adiabático reversible, que completa el ciclo. El diagrama P-V de este ciclo se muestra en la figura
Recuerde que en un diagrama de este tipo el área bajo la curva del proceso representa el trabajo de frontera para procesos en cuasi equilibrio (internamente reversible); se observa entonces que para este caso el área bajo la curva 1-2-3 es el trabajo que realiza el gas durante la parte de expansión del ciclo, y el área bajo la curva 3-4-1 es el trabajo
realizado sobre el gas durante la parte de compresión del ciclo. El área que encierra la trayectoria del ciclo (área 1-2-3-4-1) es la diferencia entre estas dos y representa el trabajo neto hecho durante el ciclo. Observe que, si se actuara de manera poco generosa y, en un esfuerzo
por ahorrar QL, comprimiese el gas de forma adiabática en el estado 3 en lugar de hacerlo de modo isotérmico, se terminaría de nuevo en el estado 2, de manera que se volvería a trazar la trayectoria de proceso 3-2. De este modo se ahorraría QL pero no se podría obtener ninguna salida de trabajo neto de esta máquina. Esto ilustra una vez más la
dos depósitos a diferentes temperaturas para operar en un ciclo y producir una cantidad neta de trabajo. El ciclo de Carnot también se puede aplicar en un sistema de flujo estacionario. En capítulos posteriores se analiza esta posibilidad junto con otros ciclos de potencia.
Por ser un ciclo reversible, el de Carnot es el más eficiente que opera entre dos límites de temperatura especificados. Aun cuando el ciclo de Carnot no se puede lograr en la realidad, la eficiencia de los ciclos reales se mejora al intentar aproximarse lo más posible al de Carnot.
Ciclo de Carnot inverso
El ciclo de la máquina térmica de Carnot recién descrito es totalmente reversible, por lo tanto, todos los procesos que abarca se pueden
invertir, en cuyo caso se convierte en el ciclo de refrigeración de Carnot. Esta vez, el ciclo es exactamente el mismo excepto que las direcciones de las interacciones de calor y trabajo están invertidas: el calor en la cantidad QL se absorbe de un depósito a baja temperatura, el calor en la cantidad QH se rechaza hacia un depósito a alta
es el mismo que corresponde al ciclo de Carnot, excepto que se
invierten las direcciones de los procesos, como se muestra en la figura
PRINCIPIOS DE CARNOT
La segunda ley de la termodinámica restringe la operación de
dispositivos cíclicos según se expresa mediante los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius. Una máquina térmica no puede operar intercambiando calor con un solo depósito, y un refrigerador no puede funcionar sin una entrada neta de energía de una fuente externa. Se
Principios de Carnot
1. La eficiencia de una máquina térmica irreversible es siempre menor
que la eficiencia de una máquina reversible que opera entre los mismos dos depósitos.
2. Las eficiencias de las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos dos depósitos son las mismas.
Estos dos enunciados se pueden comprobar mediante la demostración
una es reversible y la otra irreversible. Después a cada máquina se le suministra la misma cantidad de calor QH. La cantidad de trabajo producida por la máquina térmica reversible es Wrev, y la que produce la irreversible es Wirrev. Violando el primer principio de Carnot, se
supone que la máquina térmica irreversible es más eficiente que la reversible (es decir, hter,irrev hter,rev), por lo tanto entrega más trabajo que la reversible. Ahora se invierte la máquina térmica reversible y opera como refrigerador, el cual recibirá una entrada de trabajo de Wrev
y rechazará calor hacia el depósito de alta temperatura. Como el refrigerador está rechazando calor en la cantidad de QH hacia el depósito de temperatura alta y la máquina térmica irreversible está recibiendo la misma cantidad de calor desde este depósito, el
intercambio de calor neto para este depósito es cero. Así, éste se podría eliminar si la descarga QH del refrigerador va directamente a la máquina térmica irreversible. Ahora, si se consideran juntos el refrigerador y la máquina irreversible, se tiene una máquina que produce un trabajo neto en la cantidad de Wirrev – Wrev mientras intercambia calor con un solo
Por lo tanto, la suposición inicial de que hter,irrev hter,rev es incorrecta. Entonces, se concluye que ninguna máquina térmica puede ser más eficiente que una máquina térmica reversible que opera entre los mismos depósitos. También es posible comprobar de manera similar el
segundo principio de Carnot. Esta vez, se reemplaza la máquina irreversible por otra reversible que es más eficiente, por lo tanto, entrega más trabajo que la primera máquina reversible. Siguiendo el mismo razonamiento, se tiene al final una máquina que produce una cantidad
neta de trabajo mientras se intercambia calor con un solo depósito, lo cual viola la segunda ley. Así, se concluye que ninguna máquina térmica reversible puede ser más eficiente que otra que opera entre los mismos dos depósitos, sin importar cómo se completa el ciclo o la clase de fluido utilizado.
EL CICLO DE CARNOT Y SU VALOR EN INGENIERÍA
El ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos totalmente reversibles: adición de calor isotérmica, expansión isentrópica, rechazo de calor isotérmico y compresión isentrópica.
Máquina de Carnot de flujo estacionario
y puede emplearse gas o vapor como el fluido de trabajo. El ciclo de Carnot es el ciclo más eficiente que puede ejecutarse entre una fuente de energía térmica a temperatura TH y un sumidero a temperatura TL,
y su eficiencia térmica se expresa como:
htér,Carnot = 1 – TL / TH (9-2)
La transferencia de calor isotérmica reversible es muy difícil de lograr en la práctica porque requeriría intercambiadores de calor muy grandes y necesitaría mucho tiempo (un ciclo de potencia en una máquina
común se completa en una fracción de un segundo). Por lo tanto, no es práctico construir una máquina que opere en un ciclo que se aproxima en gran medida al de Carnot. El verdadero valor del ciclo de Carnot reside en que es el estándar contra el cual pueden compararse ciclos
mensaje que es igualmente aplicable a ciclos ideales reales: la eficiencia térmica aumenta con un incremento en la temperatura promedio a la cual se suministra calor hacia el sistema o con una disminución en la temperatura promedio a la cual el calor se rechaza del
sistema. Sin embargo, las temperaturas de la fuente y el sumidero que pueden emplearse en la práctica tienen límites. La temperatura más alta en el ciclo es limitada por la temperatura máxima que pueden soportar los componentes de la máquina térmica, como el émbolo o los álabes
de la turbina. La temperatura más baja está limitada por la temperatura del medio de enfriamiento utilizado en el ciclo, como un lago, un río o el aire atmosférico.
Video del Ciclo de Carnot
https://www.youtube.com/watch?v=BfbtunLGHCI
Ejercicios del Ciclo de Carnot
1) La figura muestra el Ciclo de Carnot, donde la temperatura de A vale 207°C y la temperatura B es de -153°C. Determine su eficiencia
p
Ta
Tb
V
Formula eficiencia: E =1-Tb/Ta
K =1°c + 273 K=-153°C+273 =120K
Ta 480K
Su eficiencia de ciclo es
1-120K/480K = 0,75
E=75%
No se puede trabajar en grados Celsius
Se trabaja en la temperatura absoluta que es kelvin
2) Una máquina que sigue el ciclo de Carnot, opera entre dos focos de 500K y 300K, si la cantidad de trabajo realizado por la maquina es de 600J.
Determine QA?
TA= 500K
QA=? 5Q
W= 600J
3Q
TB=300K
Se cumple que:
5Q= 600 + 3Q
5Q-3Q= 600
2Q=600/2
Q=300J
Luego: QA=5Q*300
QA=1500J
CONCLUSIÓN
Con este trabajo de investigación se puede concluir que los ciclos estudiados son de gran importancia para entender y desarrollar con más
conocimientos una parte muy importante de la termodinámica que conlleva a someterse a un análisis de los ciclos termodinámicos y de Carnot.
Saber para qué sirven cada uno y como desarrollarlos en la vida cotidiana, por ejemplo el ciclo termodinámico se puede denominar a
cualquier serie de procesos que el trascurso de todos ellos el sistema regresa a su estado inicial, el ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico que se produce en una maquina térmica y tiene por finalidad que vuelven a su estado inicial al final de cada ciclo, tienen en común que son ciclos y quiere decir que el sistema regresa a su estado inicial por
Es muy importante analizar el ciclo de Carnot en la ingeniería puesto que la finalidad del ingeniero es estudiar, revisar el proceso y llevar un seguimiento exhausto del proceso que tiene las maquinas en la industria, en este caso tiene como finalidad el estudio de las máquinas
de Carnot para observar el comportamiento de dichas máquinas.
Este proyecto tiene como finalidad el entendimiento y solución de los ciclos termodinámicos y ciclo de Carnot para una mejor enseñanza y aplicación en la ingeniería.
Bibliografía
➢ Largo, J. (2009). Ciclos Termodinámicos. Mayo 29, 2009, de
SCRIBD Sitio web: https://es.scribd.com/doc/15905540/Ciclos-termodinámicos.
➢ Cengel, Y & Boles, M. (2012). TERMODINÁMICA. México:
MCGRAW-HILL.
➢ Atalaya, J. (2018). Ciclo de Carnot ejercicios resueltos nivel 1
Física Termodinámica. febrero 01, 2018, de Academia
