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- 2. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES Termodinámica II Unidad 2 Ciclo de Carnot Es un ciclo que está compuesto por procesos reversibles, dos procesos que conservan la temperatura constante (Isotérmicos) y dos procesos sin que haya intercambio de calor con otros sistemas (adiabáticos). El ciclo se compone de cuatro pasos: C→D Absorción de calor Qc en un proceso isotermo a temperatura Tc, que corresponde a un segmento horizontal hacia la derecha. D→A Enfriamiento adiabático hasta la temperatura del foco frío, Tf, representable por un segmento vertical hacia abajo. A→B Cesión de calor | Qf | al foco frío a temperatura Tf, que corresponde a un segmento horizontal hacia la izquierda. B→C Calentamiento adiabático desde la temperatura del foco frío, Tf a la temperatura del foco caliente, Tc. De nuevo obtenemos un segmento vertical, ahora hacia arriba. Imagen tomada de: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Diagrama_T-S
- 3. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES Ciclo de Otto Termodinámica II Unidad 2 Está constituido por 4 transformaciones o procesos, 2 adiabáticas y 2 isocóricas. Puede lograrse con motores de 4 tiempos o de dos tiempos, es decir que necesitan 4 o 2 movimientos del pistón para completar el ciclo. Aunque la mayoría de los motores es de 4 tiempos, los motores de 2 tiempos son motores de potencia reducida que se utilizan normalmente en motos, cortadoras de césped, motosierras y motores náuticos pequeños.
- 4. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES Ciclo de Diesel Un ciclo Diesel ideal se compone también de cuatro procesos: B→C Absorción de calor Qc en un proceso a presión constante, que se representa mediante una exponencial recorrida hacia la derecha. Éste es el único paso en que se diferencia del ciclo Otto. Puesto que en ambos casos tenemos exponenciales, es difícil distinguir ambos ciclos en un diagrama TS (mientras que en uno PV es evidente la diferencia) 2-3. C→D Enfriamiento adiabático, al que corresponde un segmento vertical hacia abajo 3- 4. D→A Cesión de calor | Qf | al foco frío a volumen constante, al que le corresponde otra exponencial, ésta recorrida hacia la izquierda 4-1. A→B Calentamiento adiabático desde el volumen máximo al mínimo. De nuevo obtenemos un segmento vertical, ahora hacia arriba 1-2. Termodinámica II Unidad 2
- 5. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES Ciclo de Brayton Este ciclo esta representado por la turbinas de gas, las cuales pueden ser de dos tipos, de régimen abierto y de régimen cerrado. Los de régimen abierto son los mayormente utilizados. El ciclo cosnta de los siguientes pasos: 1. Compresión adiabática (o isentrópica), A→B 2. Suministro de calor a presión constante (proceso isobárico), B→C 3. Expansión adiabática (o isentrópica), C→D 4. Liberación de calor a presión constante (proceso isobárico), D→A Termodinámica II Unidad 2
- 6. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES Ciclo de Rankine Corresponde a la descripción de una planta de potencia de vapor, que se resume en la siguiente descripción del ciclo: 1. Compresión adiabática (y, por lo tanto, isentrópica) del líquido (agua), 1-2 2. Suministro isobárico de calor para transformar el líquido en vapor, 2-3 3. Expansión adiabática (e isentrópica) del vapor a baja presión, 3-4 4. Liberación isobárica de calor para condensar el vapor, 4-1 También existen otras variantes de este ciclo, como: Ciclo de Rankine con recalentamiento y Ciclo regenerativo de Rankine. Termodinámica II Unidad 2
- 7. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES Ciclo combinado de gas-vapor Este ciclo utiliza dos fluidos como sustancias de trabajo que operan a distintos rangos de temperatura y puede idealizarse por medio del ciclo de Rankine para ambas sustancias. La ventaja de este ciclo combinado es que los sistemas generadores pueden mejorar su desempeño que al trabajar por separado. En este caso se acoplan dos turbinas, una trabajando a gas, cuya temperatura de escape esta entre los 375oC y los 555oC y la otra trabajando a vapor, cuya temperatura de admisión está en el rango de los 400oC y los 585oC, Como se observa el acoplamiento de ambos sistemas resulta natural. Termodinámica II Unidad 2
- 8. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES ¿Cuál es el mejor ciclo? Creo que es una respuesta muy complicada de contestar, pues primero deberíamos de preguntarnos para que necesitamos un sistema productor de potencia. Si es para generar trabajo motriz, creo que el ciclo Diesel, al darnos más potencia sería el mejor. Si lo que buscamos es una máquina para generar electricidad, las turbinas Brayton, son para mi la mejor opción. Termodinámica II Unidad 2
- 9. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES ¿Qué es un ciclo de refrigeración? Son ciclos que pueden ser analizados desde la misma perspectiva que las plantas de potencia. También utilizan una sustancia de trabajo, cuyo propósito es remover calor continuamente desde un cuerpo a baja temperatura con respecto a su entorno, con la finalidad de mantenerlo en ese estado “mantiene un cuerpo frio”. Termodinámica II Unidad 2
- 10. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES ¿Qué propiedades debe tener un refrigerante? Los principales criterios que deben tomarse en cuenta parten de hecho de se desea eliminar presiones excesivamente bajas cuando se evapora, y presiones excesivamente altas cuando se condensa. Además, se deben considerar los siguientes criterios para elegir el refrigerante: 1. La economía. 2. Efectos nocivos mínimos al medio ambiente. 3. Inflamabilidad. 4. Calor latente de condensación (hfg) a la temperatura de refrigeración (es deseable que sea alto). 5. Presión de saturación baja a la temperatura de operación (deseable que sea baja). Termodinámicamente hablando, el criterio 4 es el más importante para elegir un refrigerante, porque un calor latente de condensación es indicativo de una gran cantidad de calor necesaria para condensar una unidad de masa del refrigerante. Esto implica que, al condensarse, absorba mucho calor del espacio que se desea mantener frio. Termodinámica II Unidad 2
- 11. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES Explica el ciclo de Carnot inverso. El ciclo de Carnot inverso es un sistema de refrigeración que consisten cuatro procesos: 1. Con la utilización de un compresor cuya tubería se encuentra aislada para evitar perdidas de calor, se hace pasar el refrigerante en estado vapor – liquido, el compresor eleva la presión y la temperatura del refrigerante al efectuar una compresión rápida, llevando al refrigerante a un estado de vapor saturado. Esto permite asumir que se trata de un proceso adiabático. 2. El refrigerante comprimido se hace pasar por una fuente externa de calor a temperatura alta, liberando calor hacia la fuente, ya que su temperatura es un poco menor. El refrigerante cambia su estado de vapor saturado a liquido saturado, pues el proceso se lleva a temperatura constante. 3. Posteriormente, al refrigerante se le somete a una expansión súbita de forma regulada, provocando una disminución de la temperatura y presión del refrigerante, quedando a una temperatura ligeramente mayor que la temperatura del espacio que se quiere mantener frio, pasando de un liquido saturado a otro líquido – vapor. 4. Se hace pasar el refrigerante por un evaporador, recibiendo un suministro de calor desde una fuente fría provocando provocado por una transición de fase, esta etapa se lleva a cabo a presión y temperatura constantes, por ser un cambio de fase. En esta descripción encontramos dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos que nos remiten inmediatamente al ciclo de Carnot. Termodinámica II Unidad 2
- 12. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES Explica el ciclo de Carnot inverso. Termodinámica II Unidad 2 Imagen tomada de: http://termo2-1mi131.blogspot.com/2013/11/ciclo-de- refrigeracion-de-ciclo-de.html
- 13. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES Explica el ciclo de refrigeración de Brayton. Se considera como un ciclo de refrigeración de gas. Los alrededores del espacio refrigerado están a una temperatura T0 y el espacio refrigerado se va a mantener a una temperatura TL. El gas es comprimido durante el proceso efectuado de 1-2. El gas a presión y temperatura altas en el estado 2 se enfría después a presión constante hasta T0 al rechazar calor hacia los alrededores. Luego se efectúa una expansión en una turbina, durante el cual la temperatura del gas disminuye hasta T4. Por último, el gas frío absorbe calor del espacio refrigerado hasta que su temperatura se eleva hasta T1. Termodinámica II Unidad 2
- 14. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES ¿Qué es una bomba de calor?. Es un sistema con el cual se inyecta calor desde los alrededores hacia un cuerpo o sistema a temperatura mayor o proveer un flujo de calor a ciertos procesos industriales que tienen lugar a temperaturas elevadas, como la fundición. Las bombas de calor de compresión de vapor son ampliamente utilizadas en el calentamiento de espacios habitacionales o laborales, mientras que las bombas de calor por absorción son mayormente utilizadas en aplicaciones industriales. Estas bombas de calor funcionan de la misma forma en que lo hacen los sistemas refrigerantes, y solo varían las temperaturas a las que se realiza el proceso. Termodinámica II Unidad 2
- 15. Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES Referencias Referencias Revista Ingeniería Mecánica. (9 de 2017). Obtenido de Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica: http://revistasomim.net/congreso2017/articulos/A4_41.pdf UNADM División de Ciencias de la Salud, B. y. (s.f.). UNADM. Recuperado el 16 de 1 de 2019, de https://unadmexico.blackboard.com/bbcswebdav/institution/DCSBA/Bloque%201/ER/03/ETER2_300518/U2/U2C iclostermodinamicos.pdf Ciclo Brayton. (s. f.). Recuperado 6 de febrero de 2019, de http://eribera_bo.tripod.com/ciclo_brayton.html Diagrama T-S. (s. f.). Recuperado 6 de febrero de 2019, de http://laplace.us.es/wiki/index.php/Diagrama_T-S GRUPO 1MI131 TERMODINÁMICA II: CICLO BRAYTON INVERTIDO. (s. f.). Recuperado 7 de febrero de 2019, de http://termo2-1mi131.blogspot.com/2013/11/ciclo-brayton-invertido.html Termodinámica II Unidad 2