Ciclos termodinámicos Carnot, Rankine, Brayton, etc

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Ciclos termodinámicos: Carnot, Rankine, Brayton, etc 
Los ciclos termodinámicos son la base de muchos sistemas de generación de energía y 
máquinas térmicas. Estos ciclos describen una serie de procesos que un sistema 
termodinámico experimenta para convertir energía térmica en trabajo útil o viceversa. Entre 
los ciclos más importantes se encuentran el ciclo de Carnot, el ciclo Rankine y el ciclo 
Brayton, cada uno con sus características y aplicaciones específicas. Este ensayo analiza 
estos ciclos, su funcionamiento, eficiencia y su relevancia en la ingeniería y la tecnología. 
Ciclo de Carnot 
El ciclo de Carnot es un ciclo teórico que establece el límite superior de eficiencia para 
cualquier máquina térmica operando entre dos temperaturas dadas. Propuesto por Sadi 
Carnot en 1824, este ciclo es ideal y no puede ser alcanzado en la práctica debido a las 
irreversibilidades presentes en los procesos reales. 
Características: 
Consiste en dos procesos isotérmicos (uno de expansión y otro de compresión) y dos 
procesos adiabáticos (uno de expansión y otro de compresión). 
La eficiencia del ciclo de Carnot depende únicamente de las temperaturas de los reservorios 
caliente (𝑇𝐻TH) y frío (𝑇𝐶TC) y se expresa como 𝜂=1−𝑇𝐶𝑇𝐻η=1−THTC. 
Funcionamiento: 
Expansión isotérmica: El gas en el sistema se expande isotérmicamente a la temperatura 
𝑇𝐻TH, absorbiendo calor 𝑄𝐻QH del reservorio caliente. 
Expansión adiabática: El gas sigue expandiéndose sin intercambio de calor, y su temperatura 
disminuye hasta 𝑇𝐶TC. 
Compresión isotérmica: El gas se comprime isotérmicamente a la temperatura 𝑇𝐶TC, 
liberando calor 𝑄𝐶QC al reservorio frío. 
Compresión adiabática: El gas se comprime sin intercambio de calor, aumentando su 
temperatura de vuelta a 𝑇𝐻TH. 
Aplicaciones y Relevancia: 
El ciclo de Carnot es crucial para establecer la eficiencia máxima teórica de las máquinas 
térmicas. 
Aunque no se puede implementar en la práctica debido a irreversibilidades, proporciona 
una referencia ideal para comparar la eficiencia de ciclos reales. 
Ciclo Rankine 
El ciclo Rankine es el ciclo idealizado para las centrales eléctricas de vapor y describe la 
operación de los motores de vapor y las turbinas de vapor. Es el ciclo de referencia para la 
conversión de energía térmica en energía eléctrica. 
Características: 
Consiste en cuatro procesos: compresión isentrópica, calentamiento isobárico, expansión 
isentrópica y condensación isobárica. 
Utiliza agua como fluido de trabajo. 
Funcionamiento: 
Compresión isentrópica: El agua líquida se comprime isentrópicamente en una bomba, 
aumentando su presión. 
Calentamiento isobárico: El agua a alta presión se calienta a presión constante en una 
caldera, convirtiéndose en vapor. 
Expansión isentrópica: El vapor a alta presión se expande isentrópicamente a través de una 
turbina, produciendo trabajo. 
Condensación isobárica: El vapor expandido se condensa a presión constante en un 
condensador, volviendo a su estado líquido. 
Aplicaciones y Relevancia: 
Es el ciclo de trabajo estándar en las plantas de energía térmica que generan electricidad 
mediante la quema de combustibles fósiles, energía nuclear o energía solar térmica. 
Las mejoras en el ciclo Rankine, como la regeneración y la reheat, buscan aumentar la 
eficiencia de las plantas de energía. 
Ciclo Brayton 
El ciclo Brayton es el ciclo termodinámico que describe la operación de las turbinas de gas, 
ampliamente utilizado en aviación y generación de energía eléctrica. 
Características: 
Consiste en dos procesos isentrópicos (compresión y expansión) y dos procesos isobáricos 
(calentamiento y enfriamiento). 
Utiliza aire o gas como fluido de trabajo. 
Funcionamiento: 
Compresión isentrópica: El aire ambiente se comprime isentrópicamente en un compresor. 
Calentamiento isobárico: El aire comprimido se calienta a presión constante en una cámara 
de combustión. 
Expansión isentrópica: El aire caliente se expande isentrópicamente a través de una turbina, 
produciendo trabajo. 
Enfriamiento isobárico: El aire expandido se enfría a presión constante antes de ser 
expulsado. 
Aplicaciones y Relevancia: 
Es el ciclo de trabajo de las turbinas de gas utilizadas en aviones y en plantas de energía 
eléctrica. 
Las variaciones del ciclo Brayton, como el ciclo regenerativo y el ciclo combinado, buscan 
mejorar la eficiencia y reducir las emisiones. 
Conclusión 
Los ciclos termodinámicos, incluyendo los ciclos de Carnot, Rankine y Brayton, son 
fundamentales para el funcionamiento y la eficiencia de las máquinas térmicas y las plantas 
de generación de energía. Cada ciclo tiene sus características, aplicaciones y limitaciones, y 
aunque el ciclo de Carnot establece el límite teórico de eficiencia, los ciclos Rankine y 
Brayton son los que se implementan en la práctica para generar energía eléctrica y propulsar 
aeronaves. La comprensión y el perfeccionamiento de estos ciclos son esenciales para 
avanzar en la tecnología energética y enfrentar los desafíos globales de sostenibilidad y 
eficiencia energética.