ETER2_U2_A1_SEMB - Sergio Marquez Barrios

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Termodinámica 2
ER-ETER2-1901-B1-001
Javier Hernández Pérez
Unidad 2
Ciclos Termodinámicos
Actividad 1
¿Cómo elegir un sistema?
SERGIO ADRIÁN MÁRQUEZ BARRIOS
ES172011571
Febrero, 2018
Ciclo de Carnot
Propuesto en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot, algunos lo consideran padre de la Termodinámica.
Considere un sistema cerrado conformado por un gas contenido en un dispositivo de cilindro-émbolo adiabático. 
El aislamiento de la cabeza del cilindro es tal que puede ser eliminado para poner al cilindro en contacto con depósitos que proporcionan transferencia de calor. 
Los cuatro procesos reversibles que conforman el ciclo de Carnot son dos isotérmicos y dos adiabáticos, y que es posible llevar a cabo en un sistema cerrado o de flujo estacionario.
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Ciclo de Carnot
a).- Expansión isotérmica reversible (TH constante). Inicialmente, la temperatura del gas es TH y la cabeza del cilindro está en contacto con una fuente a temperatura TH. El gas se expande lentamente y que realice trabajo. En este proceso, la temperatura tiende a disminuir en una cantidad infinitesimal dT, cierta cantidad de calor se transfiere del depósi-
b)-. Expansión adiabática reversible (la temperatura disminuye de TH a TL). En este, el depósito que estuvo en contacto con la cabeza del cilindro se anula y es reemplazado por el aislamiento para que el sistema se vuelva adiabático. El gas continúa expandiéndose lentamente y realiza trabajo hasta que su temperatura disminuye de TH a TL (estado c). El proceso está en cuasiequilibrio, de modo que el proceso es reversible, así como adiabático.
to hacia el gas, de modo que la temperatura de éste se eleva a TH. Así, la temperatura del gas se mantiene constante en TH. Como la diferencia de temperatura entre el gas y el depósito nunca excede una cantidad diferencial dT, éste es un proceso reversible de transferencia de calor. El proceso continúa hasta que el émbolo alcanza la posición b. La cantidad de calor total transferido al gas durante este proceso es QH.
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Ciclo de Carnot
c).- Compresión isotérmica reversible (TL constante). En este estado, se retira el aislamiento de la cabeza del cilindro y se pone a éste en contacto con un sumidero a temperatura TL. Después una fuerza externa empuja al cilindro hacia el interior, de modo que se realiza trabajo sobre el gas. A medida que el gas se comprime, su temperatura tiende a incrementarse, pero tan pronto como aumenta
d).- Compresión adiabática reversible (la temperatura sube de TL a TH). Este estado es tal que cuando se elimina el depósito de baja temperatura, se coloca el aislamiento de nuevo en la cabeza del cilindro y se comprime el gas de manera reversible, entonces el gas vuelve a su estado inicial (a). La temperatura sube de TL a TH durante este proceso de compresión adiabático reversible, que completa el ciclo.
una cantidad infinitesimal dT, el calor se transfiere desde el gas hacia el sumidero, lo que causa que la temperatura del gas descienda a TL. Así, la temperatura del gas permanece constante en TL. Como la diferencia de temperatura entre el gas y el sumidero no excede una cantidad diferencial dT, éste es un proceso de transferencia de calor reversible, el cual continúa hasta que el émbolo alcanza el estado d. La cantidad de calor rechazado del gas durante este proceso es QL.
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Ciclo de Carnot
El diagrama P-V de este ciclo; se observa entonces que para este caso el área bajo la curva 1-2-3 es el trabajo que realiza el gas durante la parte de expansión del ciclo, y el área bajo la curva 3-4-1 es el trabajo realizado sobre el gas durante la parte de compresión del ciclo. El área que encierra la trayectoria del ciclo (área 1-2-3-4-1) es la diferencia entre estas dos y representa el trabajo neto hecho durante el ciclo. Si se actuara de manera poco generosa y, en un esfuerzo por ahorrar QL, comprimiese el gas de forma adiabática en el estado 3 en lugar de hacerlo de modo isotérmico, se
terminaría de nuevo en el estado 2, de manera que se volvería a trazar la trayectoria de proceso 3-2. De este modo se ahorraría QL pero no se podría obtener ninguna salida de trabajo neto de esta máquina. Esto ilustra una vez más la necesidad de que una máquina térmica intercambie calor con al menos dos depósitos a diferentes temperaturas para operar en un ciclo y producir una cantidad neta de trabajo.
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Ciclo de Otto
Realizado por Nikolaus August Otto, Ingeniero alemán que perfeccionó el motor de combustión interna. En 1861 diseñó un primitivo motor de combustión interna, que consumía gas de alumbrado; para su comercialización se asoció con el industrial Eugen Langen y fundaron juntos una fábrica en Colonia (1864). En 1876 perfeccionó aquel modelo aplicando el ciclo de cuatro tiempos que había patentado Alphonse Beau de Rochas seis años antes; desde entonces se llama ciclo de Otto al ciclo de cuatro tiempos (admisión, compresión, explosión y escape) que desarrollan los cilindros de estos motores durante dos vueltas completas del cigüeñal.
El ciclo ideal para las máquinas de encendido por chispa
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Ciclo de Otto
En la mayoría de las máquinas de encendido por chispa el émbolo ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecánicos) dentro del cilindro, y el cigüeñal completa dos revoluciones por cada ciclo termodinámico. Estas máquinas son llamadas máquinas de combustión interna de cuatro tiempos.
Ciclo de Otto
Tiempo de admisión: 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). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.
2. Tiempo de compresión: 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. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.
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). Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible
Ciclo de Otto
3. Tiempo de potencia (Expansión): La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D.
4. Tiempo de escape: 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 isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.
Ciclo de Diésel
El ciclo Diésel es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes ECOM. El motor ECOM, por primera vez propuesto por Rudolph Diesel en la década de 1890.
El ciclo diésel se da cuando el aire se comprime hasta una temperatura que es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente.
Los procesos consisten en la siguiente secuencia: 
1. Proceso (1-2): es una compresión isotrópica: Compresión. El pistón sube hasta el PMS y comprime el aire de forma adiabáticahasta presiones de 40-50 atm, alcanzándose temperaturas de unos 600 ºC.
2. Proceso (2-3) adición de calor a presión constante, El gas se expande de forma adiabática
Ciclo de Diésel
3. Proceso (3-4) una expansión isotrópica, En este tercer tiempo es cuando el motor realiza trabajo, el cual viene dado por el área encerrada.
4. Proceso (4-1) un rechazo de calor a volumen constante, Al llegar el pistón al PMI se abre la válvula de escape y la presión desciende bruscamente hasta la presión atmosférica
Ciclo de Diésel
El ciclo Diésel se ejecuta en un dispositivo de émbolo y cilindro, que forma un sistema cerrado, la cantidad de calor añadida al fluido de trabajo a presión constante y rechazada por éste a volumen constante.
Ciclo de Brayton
 
El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por vez primera para usarlo en el motor reciprocante que quemaba aceite desarrollado por él alrededor de 1870; se utiliza en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresión como de expansión suceden en maquinaria rotatoria
Se realiza a través de un ciclo combinado (abierto y cerrado); Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara de combustión interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajo.
Ciclo de Brayton
 
El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, el cual está integrado por cuatro procesos internamente reversibles:
A-B Compresión isentrópica (en un compresor); cuando el aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor. Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.
B-C Adición de calor a presión constante; 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.
C-D Expansión isentrópica (en una 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.
D-A Rechazo de calor presión constante; el aire enfriado (a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Este es un ciclo abierto (el aire que escapa no es el mismo que entra), pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión. Este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A.
Ciclo de Rankine
 
Este ciclo no incluye reversibilidad interna, esto debido a que es imposible eliminar aspectos imprácticos asociados con el ciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y condensado, los procesos de este ciclo son:
 - Compresión isentrópica en la bomba (1-2)
 - Adición de calor a presión constante en una caldera (2-3)
 - Expansión isentrópica en una turbina (3-4)
 - Rechazo de calor a presión constante de un condensador (4-1)
El agua entra a la bomba en el estado 1 como líquido saturado y se condensa hasta la presión de operación de la caldera. La temperatura del agua aumenta durante este proceso de compresión debido a una ligera disminución en el volumen específico del agua.
La distancia vertical entre los estados 1 y 2 en el diagrama T-s se exagera de manera considerable para mayor claridad. El agua entra a la caldera como líquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3. La caldera es un gran intercambiador de calor donde el calor que se origina en los gases de combustión, reactores nucleares u otras fuentes, se transfiere al agua esencialmente a presión constante. 
Ciclo de Rankine
 
La caldera, junto con la sección (sobrecalentador) donde el vapor se sobrecalienta, recibe el nombre de generador de vapor. El vapor sobre calentado en el estado 3 entra a la turbina donde se expande y produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico. La presión y la temperatura del vapor disminuyen durante este proceso hasta los valores en el estado 4, donde el vapor entra al condensador. El vapor se condensa a presión constante en el condensador, el cual hace la función de calor, rechazando el calor hacia un medio de enfriamiento como un lago, un río o la atmósfera. El vapor sale del condensador como líquido saturado y entra a la bomba, completando el ciclo.
En áreas donde el agua es muy valiosa, las centrales eléctricas son enfriadas con aire en lugar de agua. Este método de enfriamiento se emplea en motores de automóvil. Varias centrales eléctricas en el mundo, incluidas algunas en Estados Unidos, utilizan enfriamiento seco para conservar el agua.
El área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor transferido hacia el agua en la caldera y que el área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor rechazado en el condensador. La diferencia entre estas dos, el área encerrada por el ciclo es el trabajo neto producido durante el ciclo.
Ciclo combinado de gas-vapor
La ventaja de este sistema combinado es que permite aprovechar el calor residual de los gases de escape de la turbina de gas, que salen a elevadas temperaturas para precalentar el agua y generar vapor saturado. Posteriormente el vapor se recalienta en la misma cámara de combustión usada para el ciclo de gas.
El aire entra en el estado 1 al compresor C, donde es llevado al estado 2 al cual entra al horno del generador de vapor de alta presión GVAP; sale en el estado 3 para entrar a la turbina de gas, de la cual sale en la condición 4. Entonces el aire de salida de la turbina entra al calentador de agua CA de donde se desecha a la atmósfera en el estado 1. Durante el intercambio de calor que se produce, el gas entrega calor al agua lo que se simboliza en el diagrama T-S con una serie de flechitas desde el ciclo Brayton hacia el ciclo de Ran-kine. Este es el circuito del gas. 
Ciclo combinado de gas-vapor
Alrededor del 25% de la energía del combustible se transforma en trabajo de eje en la turbina de gas, un 55% sale en los gases de escape, y un 20% se pierde por fricción. Del 55% que sale por el escape de la turbina de gas, un 50% se aprovecha en el calentador de agua CA en tanto que el 5% restante se pierde.
En cuanto al agua, esta sale del calentador de agua CA en condicen de líquido saturado al punto de ebullición, pasa al generador de vapor de alta presión GVAP donde se vaporiza y recalienta, y entra en el estado 5 a la turbina de alta presión TAP donde se expande isentrópicamente hasta el estado 6.
Luego se envía al recalentador del cual sale al estado 7 con el cual entra a la turbina de baja presión TBP donde se expande en forma isentrópica hasta el estado 8. A continuación pasa al condensador C que lleva el agua hasta el estado 8 al cual entra al calentador de agua CA. Pensemos en un sistema en el que por cada Kg de agua que circula por el circuito del agua hay una cantidad de masa m de gas que circula por el circuito del gas. Para obtener el valor de m es necesario hacer el balance de energía del calentador de agua CA. 
Determina desde tu perspectiva ¿cuál es el mejor ciclo? 
y explica con argumentos técnicos él porque es el mejor.
Todos los ciclos tienen su grado de complejidad, el mas común o mas conocido es el Ciclo de Otto, ya que es parte fundamental de la mecánica automotriz, aunque este ciclo tiene una gran semejanza con el ciclo de Diésel, ambos se me hacen mas fáciles de comprender y entender. Ambas tablas de P-V son muy parecidas. 
¿Qué es un ciclo de refrigeración?
Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeración. En este caso, QL es la magnitud del calor extraído del espacio refrigerado a la temperatura TL; QH es la magnitud del calor rechazado hacia el espacio caliente a temperatura TH, y W neto,entrada es la entrada neta de trabajo alrefrigerador. QL y QH representan magnitudes, y por ello son cantidades positivas. 
En este ciclo de refrigeración el refrigerante se evapora y se condensa, comprimiéndolo, alternativamente para luego volver a la fase de vapor. 
Está compuesto por 4 procesos: Compresión isentrópica en un compresor. Disipación de calor a presión constante en un condensador.
¿Qué propiedades debe tener un refrigerante?
Propiedades Termodinámicas
Entalpia - Debe tener un valor alto de calor latente de vaporización.
Densidad
Entropía
Presión - Debe operar con presiones positivas.
Propiedades Físicas y Químicas
No debe ser tóxico ni venenoso.
No debe ser explosivo ni inflamable.
No debe tener efecto sobre otros materiales.
Fácil de detectar cuando se fuga.
Debe ser miscible con el aceite. 
No debe reaccionar con la humedad.
Debe ser un compuesto estable.
Temperatura - Debe tener una temperatura crítica por arriba de la temperatura de condensación. Debe tener una temperatura de congelación por debajo de la temperatura del evaporador. Debe tener una temperatura de ebullición baja.
Volumen - Debe tener un valor bajo de volumen específico en fase vapor, y un valor alto de volumen en fase líquida.
Ciclo de Carnot inverso
Puesto que es un ciclo reversible, los cuatro procesos que comprende el ciclo de Carnot pueden invertirse. Al hacerlo también se invertirán las direcciones de cualquier interacción de calor y de trabajo. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas del reloj en el diagrama T-s. 
El calor en la cantidad QX se absorbe de un depósito a baja temperatura, el calor en la cantidad QH se rechaza hacia un depósito a alta temperatura, y se requiere una cantidad de trabajo Wneto,entrada para completar todo esto.
 
Según los principios de Carnot:
La eficiencia de una máquina térmica irreversible es siempre menor que la eficiencia de una máquina reversible que opera entre los mismos dos depósitos.
Las eficiencias de las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos dos depósitos son las mismas. 
Explica el ciclo de refrigeración de Brayton
También conocido como el ciclo de refrigeración de gas.
Los alrededores están a T0 y el espacio refrigerado se va a mantener a TL. El gas se comprime durante el proceso 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. 
Esto es seguido por un proceso de 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.
¿Qué es una bomba de calor?
A diferencia de un refrigerador cuya función es mantener el espacio refrigerado a una temperatura baja al extraer el calor de él. La descarga de este calor a un medio de temperatura alta es una parte necesaria de la operación, no es el propósito.
 El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a alta temperatura. Esto se logra al absorber calor de una fuente de baja temperatura, como el agua de un pozo o el aire exterior frío en el invierno, y al suministrar este calor a un medio más caliente, como una casa 
El refrigerante absorbe calor isotérmicamente de una fuente de baja temperatura a TL en la cantidad de QL (1-2), se comprime isentrópicamente hasta el estado 3 (la temperatura se eleva hasta TH), rechaza calor isotérmicamente en un sumidero de alta temperatura a TH en la cantidad de QH (3-4) y se expande isentrópicamente hasta el estado 1 (la temperatura desciende hasta TL). El refrigerante cambia de un estado de vapor saturado a un estado de líquido saturado en el condensador durante el proceso 3-4.
BIBLIOGRAFIA
 - Cengel, Y. A., & A. Boles, M. (s.f.). Termodinámica Séptima Edición. México: Mc Graw Hill.
 - srl, I. (2019). www.indubel.com.ar. Obtenido de Indubel: www.indubel.com.ar/pdf/gases/refrigerantes.pdf
 - UNADM. (2019). https://unadmexico.blackboard.com. Obtenido de Termodinámica 2: https://unadmexico.blackboard.com/bbcswebdav/institution/DCSBA/Bloque%201/ER/03/ETER2_300518/U2/U2Ciclostermodinamicos.pdf