Ciclos Termodinamicos

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DEL SUR DE ZACATECAS

ING. EN AGROTECNOLOGÍA

TERMODINÁMICA

CICLOS TERMODINÁMICOS

ANTONIO ROBES GARAY

I. B. Q. NANCY JUDITH MEDINA MARTÍNEZ

17/AGOSTO/2011

¿Qué es un ciclo?
Se denomina ciclo termodinámico al proceso que tiene lugar en:
* Dispositivos destinados a la obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura(Máquinas Térmicas)
*o, de manera inversa, a producir el paso de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante la aportación de trabajo (Refrigeradores y Bombas de Calor).
El rendimiento es el principal parámetro que caracteriza a un ciclo termodinámico, y se define como el trabajo obtenido dividido por el calor gastado en el proceso, en un mismo tiempo de ciclocompleto si el proceso es continuo.
La eficiencia térmica del ciclo mide qué cantidad del calor ingresado es convertido en trabajo útil.
Este parámetro es diferente según los múltiples tipos de ciclos termodinámicos que existen, pero está limitado por el factor o rendimiento del ciclo de Carnot.

Ciclo de Otto

Muchas de las máquinas térmicas que se construyen en la actualidad (motores decamiones, coches, maquinaria, etc) están provistas de un motor denominado motor de cuatro tiempos. El ciclo que describe el fluido de trabajo de dichas máquinas se denomina ciclo de Otto, inventado a finales del siglo XIX por el ingeniero alemán del mismo nombre.

En el ciclo de Otto, el fluido de trabajo es una mezcla de aire y gasolina que experimenta una serie de transformaciones (seis etapas,aunque el trabajo realizado en dos de ellas se cancela) en el interior de un cilindro provisto de un pistón (ver siguiente animación*).
El proceso consta de seis etapas:
- Admisión: la válvula de admisión se abre, permitiendo la entrada en el cilindro de la mezcla de aire y gasolina. Al finalizar esta primera etapa, la válvula de admisión se cierra. El pistón se desplaza hasta el denominado puntomuerto inferior (PMI).
- Compresión adiabática: la mezcla de aire y gasolina se comprime sin intercambiar calor con el exterior. La transformación es por tanto isentrópica. La posición que alcanza el pistón se denomina punto muerto superior (PMS). El trabajo realizado por la mezcla en esta etapa es negativo, ya que ésta se comprime.
- Explosión: la bujía se activa, salta una chispa y la mezclase enciende. Durante esta transformación la presión aumenta a volumen constante.
- Expansión adiabática: la mezcla se expande adiabáticamente. Durante este proceso, la energía química liberada durante la combustión se transforma en energía mecánica, ya que el trabajo durante esta transformación es positivo.
- Enfriamiento isócoro: durante esta etapa la presión disminuye y la mezcla se enfríaliberándose calor al exterior.
- Escape: la válvula de escape se abre, expulsando al exterior los productos de la combustión. Al finalizar esta etapa el proceso vuelve a comenzar.
El trabajo total realizado durante el ciclo es positivo (ya que éste se recorre en sentido horario). Como se observa el la parte izquierda de la animación, el trabajo realizado por el sistema durante las etapas 01 y 10 esigual en valor absoluto pero de signo contrario, por lo que no contribuyen al trabajo total.

El movimiento del pistón se transmite a la biela (representada en naranja en la figura) y de ésta al cigüeñal. Posteriormente este movimiento se transmite a las ruedas.

Rendimiento del ciclo de Otto ideal

El rendimiento del ciclo de Otto, como el de cualquier otra máquina térmica, viene dado porla relación entre el trabajo total realizado durante el ciclo y el calor suministrado al fluido de trabajo:
La absorción de calor tiene lugar en la etapa 23 y la cesión en la 41, por lo que :
Suponiendo que la mezcla de aire y gasolina se comporta como un gas ideal, los calores que aparecen el la ecuación anterior vienen dados por:
ya que ambas transformaciones son isócoras.
Sustituyendo en...