Ciclos termodinamicos

Ciclo de Aire Normal
Dada la complejidad de los procesas reales es preferible, en un estudio inicial de los ciclos de potencia y de refrigeración de gas, examinar las características generales de cada ciclo sin entrar en un análisis detallado. La ventaja de un modelo simple es que los principales parámetros que gobiernan el ciclo se hacen más visibles. Al no considerar todas las complicacionesdel proceso real y retener solo los detalles mas importantes de funcionamiento sobre el comportamiento del dispositivo; sin embargo, los valores numéricos calculados a partir de este modelo pueden no ser exactamente representativos del proceso real. Esta forma de modelar constituye una herramienta importante en el análisis de ingeniería, pero a veces es solo estrictamente cualitativa.
Los ciclosde gas son aquellos en los que el fluido de trabajo permanece en estado gaseoso durante todo el ciclo. En los ciclos reales de potencia de gas el fluido es esencialmente aire mas los productos de la combustión tales como el dióxido de carbono y el vapor de agua. Dado que el gas es fundamentalmente aire, especialmente en los ciclos de turbina de gas es conveniente analizar los ciclos de potencia degas en función del ciclo de aire estándar. Un ciclo de aire estándar es un ciclo idealizado basado en las siguientes aproximaciones:
a) El fluido de trabajo en todo el ciclo es aire, que se modela como gas ideal
b) El proceso de combustión se sustituye por la transferencia de calor desde una fuente externa
c) El proceso de transferencia de calos hacia el entorno se utiliza para llevaral fluido a su estado inicial
Al aplicar las restricciones del ciclo de aire estándar a los diversos procesos es corriente imponer limitaciones adicionales a los valores de las propiedades del aire. En el ciclo de aire estándar frio las capacidades térmicas se supone que tienen valores constantes y que este se ha medido a temperatura ambiente. Esta aproximación conduce a relaciones simples deparámetros tales como el rendimiento térmico.
Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot se produce cuando una máquina trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por

Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal sonreversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es aportar calor a la fuente caliente, bomba de calor.

Esquema de una máquina de Carnot. La máquina absorbe calor desde lafuente caliente T1 y cede calor a la fría T2 produciendo trabajo

El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritas acorde con el Criterio de signos termodinámico.
Expansión isotérmica: (1→2) Se parte de una situación en que el gas seencuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, ydespreciando los cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1ª ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo:

Desde el punto de vista de la entropía, ésta aumenta en este proceso: por definición, una variación de entropía viene dada por el cociente entre el calor transferido y la temperatura de la fuente en un proceso reversible:
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Como el...