ciclo

INTRODUCCIÓN


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 ciclo termodinámico es un conjunto de procesos que hacen regresar al sistema al estado original que tenía antes de que se llevara a cabo.
Los Ciclos Stirling y Ericsson difieren del ciclo de Carnot en que los procesos isentrópicos son reemplazados por procesos de regeneración. Un procesodurante el cual se transfiere calor a un dispositivo, llamado Regenerador, durante una parte del ciclo y se transfiere de nuevo al fluido de trabajo durante otra parte del ciclo.


CICLO STIRLING

Es un ciclo termodinámico reversible de potencia que busca obtener el máximo rendimiento. Es semejante al ciclo de Carnot ya que es el único capaz de aproximarse al rendimiento de Carnot, por lo que esla mejor opción.


-Funcionamiento del ciclo Stirling

En este ciclo termodinámico el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones isocóricas (a volumen constante).










1-2: Expansión isotérmica. Se absorbe calor de la fuente caliente.

Variación de energía interna, ΔU12=0
El gasrealiza un trabajo W12 y por tanto, tiene que absorber una cantidad igual de energía del foco caliente para mantener su temperatura constante.
Q12= W12= ∫V1V2p⋅dV
Q12= nRT1
2-3: Compresión Isocorica. Se cede una cantidad de calor al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura.

El trabajo realizado es nulo W23=0
El gas ideal cede calor disminuyendo su energía interna y por tanto, sutemperatura
ΔU23=Q23=nCv(T2−T1)
ΔU23=Q23=−nCv(T1−T2)


3-4: Compresión Isotérmica. Se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fría.

Como el gas está a baja presión, el trabajo necesario para comprimirlo es menor que el que proporciona durante el proceso de expansión.
Variación de energía interna, ΔU34=0
Se realiza un trabajo W34  sobre el gas y por tanto, tiene que ceder una cantidadigual de calor del foco frío para mantener su temperatura constante.
Q34=W34=∫V2/V1p⋅dV=∫V1/V2nRT2V⋅dV
Q34=nRT2lnV1/V2
Q34=W34=−nRT2

4-1: Expansion Isocorica. Absorción de calor a volumen constante. El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión.
El trabajo realizado es nulo W41=0
El gas ideal absorbe calor aumentando suenergía interna y por tanto, su temperatura
ΔU41=Q41=nCv(T1−T2)
Ciclo completo
Variación de energía interna
ΔU= ΔU12+ ΔU23+ ΔU34+ ΔU41=
-nCv(T1-T2)+ nCv(T1-T2)=0
Como cabía esperar de un proceso  cíclico reversible de un gas ideal.
El trabajo realizado por el gas es
W=W12+W34=nR(T1−T2)lnV2/V1
W =mMR(T1−T2)lnV2/V1
Donde m es la masa del gas, M es su peso molecular y R es la constante de los gases cuyovalor es 8.3143 J/(K·mol).
El trabajo se puede incrementar de varias maneras:
Aumentando la diferencia de temperaturas T1-T2 entre el foco caliente y el foco frío
Aumentando el valor del cociente V2/V1, la razón de comprensión del gas.
Eligiendo un gas cuya peso molecular M sea pequeño. Una misma masa m de produce mayor trabajo si el gas tienen menor peso molecular M.
La definición para elrendimiento de una máquina térmica es:

Para calcular el se tendrá en cuenta que el gas solo absorbe calor en dos procesos del ciclo: el calentamiento a temperatura constante y en la expansión isotérmica. Para un gas ideal esto representa que:


Motor Stirling

Se define maquina Stirling como aquel dispositivo que convierte calor en trabajo, o viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo,...