CENTRO DE CIENCIAS AGROPECUARIAS

ING. AGROINDUSTRIAL

PROFESOR:

M.en.C Javier Guadalupe Araiza Arvilla

CUARTO SEMESTRE

TAREA:

CICLO DE OTTO

CICLO DE CARNOTT

CICLO DE STIRLING

CICLO DE ERICSON

Alumno:

Elvis Aguayo Alba Moisés Octavio GarcíaLuis Andrés Hernández Venegas

Curso especial de fisicoquímica

Aguascalientes, Ags. A 29 de julio del 2014.

CICLO DE OTTO

Nicolaus Otto fue un ingeniero alemán que, a mediados del siglo XIX, diseño el motor que lleva su nombre y, aunque nuestro país es más conocido como el motor de gasolina de 4 tiempo pueden utilizarse otros combustibles. El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica a los motores de combustión interna, se caracteriza porque en una primera aproximación teórica todo el calor se aporta a volumen constante Admisión (1)

El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la

cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se

modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la

válvula abierta la presión es igual a la exterior). Compresión (2)

El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso

se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor

con el ambiente, por lo que el proceso es

adiabático. Combustión

Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa

de la bujía. El calor generado en la combustión

calienta bruscamente el aire, que incrementa su

temperatura a volumen prácticamente constante

(ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Expansión (3)

La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando

trabajo sobre él. Escape (4)

Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el

pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la

misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es

realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No

obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la

misma podemos, para el balance energético, suponer que es el

mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos

fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen

permanece aproximadamente constante y tenemos la isocora D→A.

Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula

abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos. En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.

Transformación 0-1 y 1-0 – isobara a presión atmosférica Transformación 1-2 – adiabática (Q=0)Transformación 2-3 – isocora (V=cte.)Transformación 3-4 – adiabática (Q=0)Trasformación 4-1 – isocora (V=cte.)Calor generado del proceso de 2 a 3 representa el calor generado en la combustión y el calor en el trayecto de 4 a 1 representa el calor cedido al ambiente (calor perdido).

CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura, cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido por

Y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.

Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, 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 ceder calor a la fuente caliente, bomba de calor.

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 isoterma: (proceso 1 → 2 en el diagrama) Se parte de una situación en que el gas se encuentra 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, y despreciando 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:  . Como el proceso es efectivamente

reversible, la entropía aumentará 

Expansión adiabática: (2 → 3) La expansión isoterma termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso:

Esta vez, al no haber transferencia de calor, la entropía se mantiene constante: 

Compresión isoterma: (3 → 4) Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema:

Al ser el calor negativo, la entropía disminuye: 

Compresión adiabática: (4 → 1) Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema:

Al ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor, por lo tanto la entropía no varía: 

Tiempo1 expansión isotérmica de 1 a 2. Trabajo realizado W=Q Tiempo 2- expansión adiabática, de 2 a 3 Tiempo 3 compresión isotérmica, de 3 a 4 Trabajo realizado W=Q Tiempo 4 compresión adiabática, de 4 a1

CICLO DE STIRLING

El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento. Por ello, es semejante al ciclo de Sadi Carnot.

A diferencia de la máquina de Carnot, esta máquina está constituida por dos isotermas, dos isocoras y un sistema de regeneración entre las isocoras. Cabe recordar que la máquina de Carnot ideal logra la mayor eficiencia asociada a los dos focos térmicos de los que normalmente consta una máquina.

Existe también una máquina similar según el ciclo Ericsson, la cual consta de dos isotermas y dos isobaras. También consta de un sistema de regeneración entre las isobaras como en el ciclo Stirling.

El ciclo Stirling ideal consiste de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:

1-2. Compresión isotérmica del gas a la temperatura inferior.

Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la

fuente fría.

2-3. Absorción de calor a volumen constante (isocórico o isócoro).

El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor   y

aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión.

3-4. Expansión isoterma del gas a alta temperatura. Durante este

proceso se absorbe calor de la fuente caliente.

4-1. Cesión de una cantidad de calor   al regenerador a volumen

constante, disminuyendo la temperatura del fluido.

CICLO DE ERICSSON

El ciclo Ericsson fue ideado por el inventor John Ericsson, que proyectó y construyó varios motores de aire caliente basados en diferentes ciclos termodinámicos. Es considerado el autor de dos ciclos para motores térmicos de combustión externa y constructor de motores reales basados en los ciclos mencionados.

Su primer ciclo era muy parecido al actualmente llamado ciclo Brayton (que es el que siguen las turbinas de gas), pero con combustión externa.

El presente artículo trata del segundo de sus ciclos, conocido como ciclo Ericsson.

Se supone que el que sigue el ciclo es un gas. Consta de 4 fases:

Compresión isotérmica

Calor añadida a presión constante (calentamiento isobárico)

Expansión isotérmica

Enfriamiento a presión constante (enfriamiento isobárico)

Los motores Ericsson se basan en el ciclo Ericsson. Son de combustión externa por lo que el gas motor se calienta desde el exterior. Para mejorar el rendimiento (térmico y total) el motor Ericsson dispone de un regenerador o recuperador de calor. Puede funcionar en ciclo abierto o cerrado. La expansión y la compresión se producen simultáneamente, en las caras opuestas del pistón.

Explicación del motor de la figura:

En la posición actual (el pistón en la posición más baja) el aire de

la cámara inferior se calienta mediante calor aportado

exteriormente (color rojo oscuro o rojo marrón). El aire de la

cámara superior ha sido aspirado al bajar el pistón y está a presión

atmosférica (color azul).

El pistón comienza a subir por la presión del aire calentado. Se

producen simultáneamente la expansión del aire caliente y la

compresión del aire de la cámara superior (aspirado en la fase

previa). El aire pasa a la izquierda obligado por la válvula

antirretorno de la admisión. Una válvula antirretorno le permite el

paso al depósito acumulador de aire frío.

En el punto muerto superior pasa al depósito frío la máxima

cantidad de aire aspirado posible. La válvula de paso (dibujada

abajo y a la izquierda) se abre y permite el paso del aire frío a

través del recuperador hasta la cámara inferior que lo recibe.

Un volante de inercia hace que el pistón doble-función

(compresión-expansión) empiece a bajar, empujando el aire

precalentado a través del recuperador y aspire aire atmosférico a

la cámara superior.

En el cuarto inferior, el aire precalentado se acaba de calentar

mientras se comprime. En la fase final el pistón llega a la posición

inferior y el proceso se repite.

Esquema de un motor Ericsson: aire frío en azul/aire caliente en rojo oscuro/calor exterior en rojo; pistón doble-función en negro

Bibliografías

Jesús Biel Gayé: Formalismos y Métodos de la Termodinámica, Vol. 1. Editorial Reverté

Hot Air calórico and Stirling Engines, by Robert Siero. Published 1999, by L A Mair.

T. Finkelstein; A.J. Organ (2001), Chapters 2&3