CICLO CARNOTCon el ciclo de Carnot se muestra que, aun en condiciones ideales, una mquina trmica no puede convertir toda la energa calorfica que se le suministra en energa mecnica; tiene que rechazar parte de esa energa.En un ciclo de Carnot, una mquina acepta energa calorfica de una fuente a alta temperatura, o cuerpo caliente, convierte parte de ella en trabajo mecnico (o elctrico) y descarga el resto hacia un sumidero a baja temperatura, o cuerpo fro. Cuanto mayor sea la diferencia en temperatura entre la fuente y el sumidero, mayor ser la eficiencia de la mquina trmica.El ciclo de Carnot consiste, primero, en una compresin isoentrpica, luego, en una adicin isotrmica de calor, seguida de una expansin isoentrpica, y concluye con un proceso isotrmico de rechazo de calor. En pocas palabras, los procesos son compresin, adicin de calor, expansin y descarga del calor, todo en una forma establecida y definida. El efecto neto del ciclo es que se agrega calor a una alta temperatura constante, se descarga algo menos de calor a una temperatura baja constante, y la suma algebraica de estas cantidades de calor es igual al trabajo efectuado por el ciclo.Un ciclo de Carnot consta, en su totalidad, de procesos reversibles; as, en teora, puede aplicarse para extraer el calor de un cuerpo fro y descargarlo a un cuerpo caliente. Para ello, el ciclo requiere entrada de trabajo de sus alrededores. El equivalente de calor de esta entrada de trabajo tambin se descarga al cuerpo caliente. As como el ciclo de Carnot produce la mxima eficiencia para un ciclo de potencia que funciona entre dos temperaturas fijas, el ciclo inverso produce el ptimo coeficiente de rendimiento para un aparato que bombee calor desde una temperatura baja hasta una ms alta.RENDIMIENTOEl rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por

Y, como se ver adelante, es mayor que cualquier mquina que funcione cclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una mquina trmica que realiza este ciclo se denomina mquina de Carnot. Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la mquina absorbe calor de la fuente fra y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la mquina. Si el objetivo de esta mquina es extraer calor de la fuente fra se denomina mquina frigorfica, y si es aportar calor a la fuente caliente, bomba de calor.

ETAPASEl ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabticos (aislados trmicamente). Las aplicaciones del Primer principio de la termodinmica estn escritos acorde con el Criterio de signos termodinmico. Expansin isoterma: (proceso 1- 2) Se parte de una situacin en que el gas se encuentra al mnimo 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 energa interna, y despreciando los cambios en la energa potencial y la cintica, a partir de la 1 ley de la termodinmica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo: Desde el punto de vista de la entropa, sta aumenta en este proceso: por definicin, una variacin de entropa 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 entropa aumentar. Expansin adiabtica: (proceso 2- 3) La expansin isoterma termina en un punto tal que el resto de la expansin pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aqu el sistema se asla trmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior.Esta expansin adiabtica hace que el gas se enfre hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen mximo. Al enfriarse disminuye su energa interna, con lo que utilizando un razonamiento anlogo al anterior proceso:

Compresin isoterma: (proceso 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 fra. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energa interna, y la cesin de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema: Al ser el calor negativo, la entropa disminuye: Compresin adiabtica: (proceso 4- 1) Aislado trmicamente, el sistema evoluciona comprimindose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energa interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema: Al ser un proceso adiabtico, no hay transferencia de calor, por lo tanto la entropa no varaPOSTULADOS DE LA MQUINA DE CARNOTPostulado 1 es imposible construir una mquina que opere entre dos depsitos de temperatura determinados, que sea ms eficiente que la mquina de Carnot Postulado 2 la eficiencia de una mquina de Carnot no depende de la sustancia de trabajo empleada ni de ninguna caracterstica particular de diseo de la maquinaPostulado 3 todas las maquinas reversibles que operen entre dos depsitos de temperatura determinados, tienen la misma eficiencia que una mquina de Carnot que opere entre los mismos depsitos de temperatura MQUINA FRIGORFICA Y BOMBA DE CALORUtilizan como principio de funcionamiento el ciclo inverso de Carnot: aportando un trabajo a un sistema podemos absorber cierta cantidad de calor de un foco fro y cederlo a uno caliente. Mquina frigorfica: su objetivo es extraer la mxima cantidad de calor de un foco fro (el interior del frigorfico) Bomba de calor: su objetivo es aportar la mayor cantidad posible de calor a un recinto. Elementos: Compresor: aporta el trabajo necesario al sistema (Wc) Evaporador: encargado de absorber calor del foco fro (Qf) Condensador: encargado de ceder calor al foco caliente (Qc) Sistema de expansin: encargado de expandir el fluido antes de su evaporacin. FuncionamientoEl sistema est formado por un sistema de conduccin de un fluido que se evapora (absorbe calor del foco fro) y se condensa (cede calor al foco caliente), realizando para ello un trabajo de compresin. La diferencia entre la bomba de calor y la mquina frigorfica radica en el lugar en que se encuentra situado el serpentn que hace de condensador y de evaporador.

BOMBA DE CALOR REVERSIBLE (CLIMATIZADOR)

Los sistemas de climatizacin que nos aportan calor en invierno y fro en verano (como por ejemplo en un coche), seran un ejemplo de una bomba de calor reversible, el mismo serpentn acta segn el caso como condensador o evaporador. El trabajo de compresin nos permite condensar el fluido a elevadas temperaturas y gracias a la expansin y la utilizacin de fluidos refrigerantes podemos evaporar el mismo fluido a bajas temperaturas. Una vlvula nos permite invertir el movimiento del fluido.

CICLO RANKINEEl ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinmico que tiene lugar en una central trmica de vapor. Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presin para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecnico en su eje.El vapor de baja presin que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado lquido Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presin del fluido en fase lquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.DIAGRAMA T-S DEL CICLO RANKINEEl diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal est formado por cuatro procesos: dos isoentrpicos y dos isobricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan segn procesos isoentrpicos (adiabticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin prdidas de carga y por tanto sin cadas de presin.

CICLO BRAYTON HERMANO DEL CICLO RANKINEEn las centrales trmicas de gas se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine ideal: el ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido de trabajo que se mantiene en estado de gas durante todo el ciclo (no hay condensacin). Adems utiliza un compresor en lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente unida a la turbina de gas en un eje comn); por otro lado, el equipo donde se produce la combustin no se denomina caldera sino cmara de combustin o combustor.Los equipos utilizados en estas instalaciones son ms compactos que los de las centrales trmicas de vapor y utilizan como combustible habitual el gas natural. Finalmente ambos tipos de ciclos se integran en las centrales trmicas de ciclo combinado, donde el calor rechazado por el ciclo Brayton es utilizado para alimentar el ciclo RankineVARIABLES Qin=Potencia trmica de entrada (energa por unidad de tiempo) m =Caudal msico (masa por unidad de tiempo) W=Potencia mecnica suministrada o absorbida (energa por unidad de tiempo) N=Rendimiento trmico del ciclo (relacin entre la potencia generada por el ciclo y la potencia trmica suministrada en la caldera, adimensional) h1,h2,h3,h4=Entalpas especficas de los estados principales del ciclo

ECUACIONESCada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de energa y del balance de masa para un volumen de control. La quinta ecuacin describe la eficiencia termodinmica o rendimiento trmico del ciclo y se define como la relacin entre la potencia de salida con respecto a la potencia trmica de entrada.

Se puede hacer un balance energtico en el condensador y la caldera, lo que nos permite conocer los flujos msicos de refrigerante y gasto de combustible respectivamente, as como el balance entrpico para poder sacar la irreversibilidad del ciclo y energa perdida.MEJORAS DEL CICLO RANKINE Reduccin de la presin del condensador: En este procedimiento se disminuye automticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminucin del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosin en los labes de la turbina. Aumentar la presin de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presin aumenta la temperatura a la cual se aade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura est limitado por los materiales a soportar altas temperaturas. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansin. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (Dino) (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansin da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presin de turbina. Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentacin a la caldera, aumentando su entalpa. El nmero de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicara una mejora de rendimiento considerable frente a la complicacin tcnica que conllevan.

BIBLIOGRAFAFundamentos De Termodinmica TcnicaTomo 1 y 2M.J Moran Y H. N SharpiroEditorial ReverteTermodinmicaMerle C. Potter Y Elaine P. ScottEditorial Thomson