El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo termodinámico consistente, en

su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una

expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia

aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo

mecánico que se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro

aprovechamiento –caso de las industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos,

respectivamente–, hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.

Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro pasos reversibles, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión

siendo r = pB / pA la relación de presión igual al cociente entre la presión al final del proceso de compresión y al inicio de él.. El método para obtener este resultado es análogo al empleado para el Ciclo Otto.

2 Descripción del ciclo

El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:

    Admisión

El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina

Compresor

El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.

Cámara de combustión

En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el

calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C.

Turbina

El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.

Escape

Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el

aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer unarecirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En

el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A.

Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto.

Motor de turbina de gas de ciclo abierto. Motor de turbina de gas de ciclo cerrado.

3 Eficiencia en función del calor3.1 Intercambio de calor

De los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos adiabáticos A→B y C→D, por definición. Sí se intercambia en los dos procesos isóbaros.

En la combustión B→C, una cierta cantidad de calor Qc (procedente de la energía interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a presión constante, el calor coincide con el aumento de la entalpía

El subíndice "c" viene de que este calor se intercambia con un supuesto foco caliente.

En la expulsión de los gases D→A el aire sale a una temperatura mayor que a la entrada, liberando posteriormente un calor | Qf | al ambiente. En el modelo de sistema cerrado, en el que nos imaginamos que es el mismo aire el que se comprime una y otra vez en el motor, modelamos esto como que el calor | Qf | es liberado en el proceso D→A, por enfriamiento. El valor absoluto

viene de que, siendo un calor que sale del sistema al ambiente, su signo es negativo. Su valor, análogamente al caso anterior, es

El subíndice "f" viene de que este calor se cede a un foco frío, que es el ambiente.

3.2 Trabajo realizadoEn este ciclo (a diferencia de lo que ocurre en el ciclo Otto) se realiza trabajo en los cuatro procesos. En dos de ellos el gtrabajo es positivo y en dos es negativo. En la compresión de la mezcla A→B, se realiza un trabajo positivo sobre el

gas. Al ser un proceso adiabático, todo este trabajo se invierte en incrementar la energía interna, elevando su temperatura:

En la combustión el gas se expande a presión constante, por lo que el trabajo es igual a la presión por el incremento de volumen, cambiado de signo:

Este trabajo es negativo, ya que es el aire, al expandirse, el que realiza el trabajo. Aplicando la ecuación de los gases ideales y que pB = pC, podemos escribir este trabajo como

En la expansión C→D es el aire el que realiza trabajo sobre el pistón. De nuevo este trabajo útil equivale a la variación de la energía interna

este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza. En el enfriamiento en el exterior tenemos una compresión a presión

constante:

El trabajo neto realizado sobre el gas es la suma de los cuatro términos

Aplicando la ley de Mayer

este trabajo se puede expresar como

Por tratarse de un proceso cíclico, la variación de la energía interna es nula al finalizar el ciclo. Esto implica que el calor neto introducido en el sistema esigual al trabajo neto realizado por este, en valor absoluto.

3.3 Rendimiento

El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general como “lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, lo que sacamos es el trabajo neto útil, | W | . Lo que nos cuesta es el calor Qc, que introducimos en la combustión. No podemos restarle el calor | Qf | ya que ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violaría el enunciado de Kelvin-Planck). Por tanto

Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores

Esta es la expresión general del rendimiento de una máquina térmica.

El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo,

constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está

acotada por la eficiencia termodinámica de unciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite

máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador,

el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.

Diagrama T-s del ciclo[editar]

El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor de alta presión sobrecalentado.

El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La

bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente

reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los

estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor

sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado).

Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):

Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde

la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una

turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.

Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de

trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo

alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador

(intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.

Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica

un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.

Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer

tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el

cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta

presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene

realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele

despreciarse).

En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían

isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del

rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de

una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en

la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentrópico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y

la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.

En las centrales térmicas 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 condensación).

Además utiliza un compresor en lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente unida a la turbina

de gas en un eje común); por otro lado, el equipo donde se produce la combustión no se denomina caldera sino

cámara de combustión o combustor. Los equipos utilizados en estas instalaciones son más compactos que los de

las centrales térmicas de vapor y utilizan como combustible habitual el gas natural. Finalmente ambos tipos de

ciclos se integran en las centrales térmicas de ciclo combinado, donde el calor rechazado por el ciclo Brayton (en

su configuración más simple, aportado por los gases calientes de la combustión que abandonan la turbina de gas)

es utilizado para alimentar el ciclo Rankine (sustituyendo a la caldera).

En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquél en el cual el sistema (generalmente,

un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además

reversible se conoce como proceso isoentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia

de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina proceso isotérmico.

El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared

aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la

temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los

procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a

pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.

La ecuación matemática que describe un proceso adiabático en un gas (si el proceso es reversible) es

donde P es la presión del gas, V su volumen y

el coeficiente adiabático, siendo   el calor

específico molar a presión constante y   el

calor específico molar a volumen constante. Para

un gas monoatómico ideal,  . Para un

gas diatómico (como el nitrógeno o el oxígeno,

los principales componentes del

aire) 

La definición de un proceso adiabático es que la

transferencia de calor del sistema es cero,  .

Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio de temperatura reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio de temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo, y puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco caliente. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Hay una excepción: la energía interna de un gas perfecto depende solamente de la temperatura. En consecuencia,

para un gas perfecto , y Q = W

Se denomina gas perfecto a un gas que sigue sigue la ley pv = nRT, donde n es el número de moles, y R una constante.

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como:ΔW = PΔV,donde P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).Puesto que no existe desplazamiento, el trabajo realizado por el gas es nulo.

Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que ΔU, el cambio de la energía interna del sistema, es:

para un proceso isocórico, es decir a volumen constante, todo el calor que transfiramos al sistema aumentará a su energía interna U.

Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es:Q = ΔUpara un proceso isocórico: es decir, todo el calor que transfiramos al sistema quedará a su energía interna, U. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura,Q = nCVΔT

Isobarico Es un proceso a presión constante; en consecuencia:

 y se tendrá

Si la presión no cambia durante un proceso, se dice que éste es isobárico. Un ejemplo de un proceso isobárico es la ebullición del agua en un recipiente abierto. Como el contenedor está abierto, el proceso se efectúa a presión atmosférica constante. En el punto de ebullición, la temperatura del agua no aumenta con la adición de calor, en lugar de esto, hay un cambio de fase de agua a vapor.

Ejemplo

 Proceso isotérmico: La compresión o expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato. 

Proceso isobárico :El agua que hierve en un recipiente abierto a la atmósfera. 

Proceso isocorico: El proceso térmico que se desarrolla en una olla presión de uso doméstico, desde el momento que se coloca al fuego hasta que escapa por primera vez aire a través de la válvula, corresponde a un proceso a volumen constante. 

Proceso adiabático: La emisión de aerosol por un pulverizador, acompañada de una disminución de la temperatura del pulverizador. La expansión de los gases consume energía, que procede del calor del líquido del pulverizador. 

ISOTERMICO 

1)La compresión o expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermico 2)la mezcla de dos vasos de agua a la misma temperatura 3) clima isotermico se refiere a que no existen variaciones estacionales de temperatura bien definidas a traves del año