MÁQUINAS TÉRMICAS

CICLO DE CARNOT

 
 

La máquina de vapor que impulsó la revolución industrial de los siglos XVIII y XIX es un ejemplo de máquina térmica.

El esquema básico de una máquina térmica es el siguiente:

Una máquina térmica es un dispositivo que trabajando cíclicamente toma calor de un foco caliente, realiza trabajo y entrega calor de deshecho a un foco frío, normalmente el ambiente (300 K). En las máquinas de vapor, una parte del trabajo se utiliza para el funcionamiento del propio dispositivo. La caldera es el foco caliente y produce vapor de agua a alta presión que hace girar la turbina. Una parte del trabajo obtenido en la turbina servirá para mover la bomba que impulsa el agua desde el condensador a la caldera. A la salida de la turbina, el vapor de baja presión es enfriado en el condensador y pasa a agua líquida que es impulsada por la bomba a la caldera.

Hay dos grandes tipos de máquinas térmicas: de combustión externa y de combustión interna.

En las máquinas de combustión externa, como la máquina de vapor, el combustible es quemado en un dispositivo externo de la parte de la máquina destinada a producir trabajo.

A mitad del siglo XVIII, James Watt mejora el diseño de Newcomen disminuyendo el tamaño de la máquina de vapor y aumentando su eficacia con la adopción de un condensador separado donde el agua cambiaba de estado. Esto facilitaría su introducción en barcos y, posteriormente, locomotoras.

En las máquinas de combustión interna, como los motores de gasolina de los coches, el combustible es quemado dentro del cilindro destinado a producir trabajo.

Las máquinas térmicas siempre trabajan cíclicamente, existiendo diferencias en los procesos individuales que componen el proceso global.

Tipo máquina

Ciclo

Compresión

Adición calor

Expansión

Expulsión calor

Combustión

Externa

(Ciclo cerrado)

Carnot

isentrópico

isotérmico

isentrópico

isotérmico

Stirling

isotérmico

isométrico

isotérmico

isométrico

Ericsson

isotérmico

isobárico

isotérmico

isobárico

Rankine (vapor)

adiabático

isobárico

adiabático

isobárico

Stoddard

adiabático

isobárico

adiabático

isobárico

Combustion

Interna

(Ciclo abierto)

Lenoir

ninguno

isométrico

isentrópico

isobárico

Otto (gasolina)

adiabático

isométrico

adiabático

isométrico

Atkinson

adiabático

isométrico

adiabático

isométrico

Miller

adiabático

isométrico

adiabático

isométrico

Diesel

adiabático

isobárico

adiabático

isométrico

Brayton (Jet)

adiabático

isobárico

adiabático

isobárico

INDICE

- ¿Qué es la Termoquímica?

- Calor y trabajo

- Energía Interna

- Primer Principio Termodinámica

- Calor a volumen y a presión constantes

- Entalpía estándar de reacción

- Procesos Espontáneos

- Procesos reversibles.

- Máquinas térmicas. Ciclo Carnot

- Entropía. Segundo Principio Termodinámica

- Cambios de Entropía

- Entropía. Boltzmann

- Entropía absoluta. Tercer Principio de la Termodinámica

- Espontaneidad reacciones químicas. Entropía

- Espontaneidad reacciones químicas. Energía Libre Gibbs

- Balance energético pila combustible

- Caracterización funciones termodinámicas

CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot está formado por cuatro etapas:

EXPANSIÓN ISOTERMA (Entrada calor)

EXPANSIÓN ADIABÁTICA

COMPRESIÓN ISOTERMA (Salida calor)

COMPRESIÓN ADIABÁTICA.

En la máquina, el foco caliente está a una temperatura Tc y el foco frío a una temperatura Tf

En este ciclo, el cambio de energía interna, el calor y el trabajo intercambiados en cada etapa son:

Se demuestra que en este ciclo el rendimiento sólo depende de las temperaturas de los focos caliente y frío. Por otra parte, este rendimiento es el máximo que puede alcanzar cualquier máquina térmica con el mismo intervalo de temperaturas.

¿POR QUÉ ES TAN BAJO EL RENDIMIENTO DE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS?

Las máquinas térmicas alcanzan eficiencias bajas. De hecho, la mayor parte de motores de gasolina de ciclo OTTO de cuatro tiempos, tienen rendimientos energéticos del 25 %. Solo las turbinas de gas de ciclo combinado alcanzan eficiencias próximas al 50 %. Eso nos indica que en el motor de un vehículo sólo se aprovecha la cuarta parte de la energía que libera el combustible al quemarse, el resto es desaprovechada (se expulsa con los gases de escape, con elevadas temperaturas en el motor, ...)¿Por qué?.

1.- La primera razón es que, como indicó Carnot, las máquinas térmicas no pueden funcionar con un solo foco caliente, necesitan de un foco frío en el que depositan buena parte del calor que han recibido del entorno. O sea, no pueden convertir en trabajo todo el calor que reciben, una parte de él tiene que ser desperciado. La explicación de esta limitación está en el segundo Principio de la Termodinámica.

Si fuera posible una máquina como la que describe el diagrama, todo el calor que entra en ella se convierte en trabajo sin que haya una parte de aquél que se pierda irremisiblemente en el foco frío. Veamos los cambios de entropía en la máquina y en los focos térmicos:
Máquina: ∆S = 0 porque trabaja en ciclo.
Focos: El foco caliente cede una cierta cantidad de calor Qc manteniéndose todo el tiempo a una temperatura constante Tc. Por tanto: ∆S = Qc/Tc . Como Qc < 0 (calor cedido), ∆S <0.
Universo: En consecuencia, sumando ambos cambios de entropía tendríamos que el cambio en la entropía del universo sería negativo. Esto es imposible según el segundo Principio de la Termodinámica. Por lo tanto, el enunciado de Kelvin-Planck (es imposible construir una máquina térmica con un único foco de calor) es equivalente a nuestro principio basado en la entropía.

2.- Como hemos visto, el rendimiento máximo de una máquina térmica fue determinado por Carnot en 1824, y solo dependía de las temperaturas de los focos caliente y frio que se estuvieran utilizando. Si la diferencia de temperatura entre los focos se pudiera aumentar, también lo haría el rendimiento energético de la máquina.

Pero nos encontramos con limitaciones:

La temperatura del foco frio es la temperatura ambiente (300 K) (no la podemos modificar). Como alternativa podríamos intentar aumentar el rendimiento elevando la temperatura del foco caliente. En una máquina en la que el foco caliente esté a 400 K  el rendimiento máximo que se puede obtener es del 25 %. Sin embargo, si aumentamos la temperatura hasta 600 K (por ejemplo en una turbina de gas), el rendimiento sube hasta el 50 %. Esta opción, sin embargo, tiene como problema las elevadas presiones a las que debe trabajar el sistema.

Si la temperatura del foco frio fuera 0 K el rendimiento de la máquina térmica sería 1. Para cualquier temperatura por encima del cero absoluto, la máquina térmica tendrá rendimientos menores.

CICLO OTTO

El ciclo OTTO es el que se utiliza en los motores de gasolina.

Puede usar esta hoja de cálculo para analizar con detalle los parámetros de este y otros ciclos

Se puede demostrar que el rendimiento del ciclo Otto depende únicamente de las temperaturas inicial TA y final TB de la etapa de compresión, de forma que se cumple:

Como la temperatura máxima que se alcanza en el ciclo es Tc (> TA), después de la explosión, el rendimiento de una máquina de Carnot que opere entre los valores extremos de temperatura Tc y TA es mayor que el de un motor que funcione con el ciclo Otto.

Si quisiéramos aumentar la eficiencia del ciclo Otto deberíamos aumentar TB, es decir, disminuir el volumen después de la compresión VB. Eso es lo mismo que aumentar la relación de compresión, que en los vehículos de ciclo Otto (gasolina), suele alcanzar como máximo 11:1. Sin embargo, eso tiene un problema: la autoignición de la mezcla de gasolina y aire. Si se aumenta demasiado la relación de compresión, ocurre que la mezcla de combustible hace explosión antes de que el pistón haya alcanzado el punto superior de su recorrido. Eso provoca graves problemas mecánicos (picado de bielas), ya que los gases de la explosión empujarán hacia abajo un pistón que todavía está subiendo. Para evitarlo, es decir, para disminuir la tendencia de un combustible a la autoignición, hay que aumentar el índice de octano de la gasolina empleada. Esto se consigue con nuevos procesos de producción (por ejemplo, la isomerización ayuda a aumentar el número de ramificaciones de las moléculas y eso mejora el índice de octano), o con aditivos como el ETBE (etil tertbutil éter).

En los motores Diésel no hay ese problema ya que durante la compresión solo hay aire dentro del cilindro. Este hecho permite construir motores con grandes relaciones de compresión, sin importar que el aire alcance elevadas temperaturas ya que el combustible es inyectado en la cámara de combustión posteriormente.

CICLO OTTO FRENTE A CICLO DIESEL

El ciclo OTTO fue propuesto por Nicolas Otto en 1876 y el ciclo DIESEL fue propuesto por Rudolph Diesel en 1897.

Nicolas Otto y Rudolph Diesel

El ciclo Diesel trabaja con una elevada relación de compresión que va desde 11:1 a 22:1.Sin embargo, el ciclo Otto opera con relaciones de compresión más bajas que van desde 7:1 a 11:1.

El ciclo Otto utiliza bujías para provocar la explosión de la mezcla de gasolina y aire. Sin embargo, en el ciclo Diesel no hacan falta bujías. La temperatura del aire comprimido es tan alta que basta con inyectar el combustible (gasoil) para que se produzca su combustión.

El ciclo Otto es ideal para ser usado con componentes ligeros del petróleo que destilan entre 100 y 250 ºC. El número medio de átomos de carbono en ese combustible (gasolina) es ocho. Por su parte, el ciclo Diesel es ideal para ser usado con combustibles más pesados, es decir, fracciones del petróleo que destilan a temperaturas mayores, entre 150 ºC y 350 ºC (gasoil). El número medio de átomos de carbono en las moléculas del gasoil es 16.

En el ciclo Otto la explosión se produce a volumen constante, sin embargo, la combustión en el ciclo Diesel se produce a presión constante.

Durante la compresión adiabática, en el ciclo Diesel parte de la energía mecánica del pistón es transferida al aire para que alcance elevadas temperaturas que hagan posible la ignición del combustible. En el ciclo Otto durante la compresión adiabática se comprime una mezcla de aire y combustible.

En el ciclo Diesel la combustión es isobárica (P = cte). Esto se logra con una combustión más lenta, en la que el pistón se desplaza hacia abajo para aumentar el volumen y mantener así la presión constante aportando torque. En el ciclo Otto la bujía provoca la explosión de la mezcla de combustible y aire a volumen constante (isócora). Se produce un incremento de la presión y la temperatura que empuja el pistón aportando torque.

Los motores con ciclo Diesel funcionan a menos revoluciones que los de ciclo Otto.

Con las mismas relaciones de compresión r, el ciclo Otto es más eficiente que el ciclo Diesel. Sin embargo, dado que el ciclo Diesel se utiliza con relaciones de compresión mayores que el Otto, el resultado en la práctica es que los motores Diesel son más eficientes que los Otto. En las siguientes ecuaciones r (=VA/VB) es la relación de compresión (cociente entre el volumen del sistema antes y después de la compresión) y rc (= VC/VB) es la relación entre los volúmenes antes y después de la combustión en el ciclo Diesel.

 

 

 

 

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