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¿Qué es un proceso cíclico?

Los procesos cíclicos son la base de todas las máquinas que facilitan nuestra vida. Estos sistemas pueden ser considerados como ideales cuando la energía final del proceso es la misma que consumió al principio, sin embargo, esto no se cumple en la realidad y es donde se fundamenta la segunda ley de la termodinámica:

“Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca ningún otro efecto que elevar un peso e intercambiar calor con un solo dispositivo”

Es decir, es imposible construir un equipo térmico al cual se le aplique calor y lo transforme en una cantidad igual de trabajo sin que exista una transferencia de calor y esto solo si existen dos niveles de temperatura diferentes.

¿Qué es?

Es aquel donde el estado final es el mismo que el inicial o bien, que se repite periódicamente. Los procesos cíclicos son la base de todas las máquinas y motores que operan de manera periódica.

En ciclos ideales se asume que la energía total al final del proceso es la misma que el principio.

En la realidad las máquinas térmicas solo expulsan una fracción de la energía de entrada Qh en forma de trabajo mecánico, es por ello que su eficacia siempre es menor al 100%. Por ejemplo, un motor de automóvil cuenta con una eficiencia aproximada de 20%, y los motores diesel cuentan con eficiencias que van desde el 35% al 40%.

Primer principio de los procesos cíclicos

El primer principio de la termodinámica establece que la suma del calor y el trabajo que entran a un sistema son iguales a la energía total del sistema:

proceso ciclico-1

Q es el calor y W es el trabajo que entran a un sistema a través de su frontera y E es la energía total del sistema, esto incluye energía potencial, cinética y toda aquella que pueda ser considerada como energía interna.

proceso ciclico-2

Como en un proceso cíclico el estado final es el mismo que el inicial, la energía total del sistema es la misma que al inicio, es por ello que:

proceso ciclico-3

Si desglosamos cada uno de los factores de calor y trabajo entre lo que entra y lo que sale tenemos:

proceso ciclico-4

Luego de una sustitución nos queda:

proceso ciclico-5

De esta forma llegamos a la conclusión de que en un proceso cíclico lo que entra es igual a lo que sale, pero en ocasiones no todos los términos son nulos.

Si tomamos un motor eléctrico ideal tenemos que en el sistema entra trabajo eléctrico y sale trabajo mecánico sin que exista calor implicado. Sin embargo, en un motor real esto es imposible, siempre existirán factores que disiparán energía en forma de calor tales como, las resistencias eléctricas y el rozamiento, esto causa que parte del trabajo se escape en forma de calor disipado al ambiente.

De esta forma surge el concepto de rendimiento o eficiencia de una máquina, el cual se define como:

proceso ciclico-6

¿Qué es una máquina térmica?

Una máquina térmica es un equipo cuyo objetivo es trasformar calor en trabajo. Para esto utiliza una sustancia de trabajo (vapor de agua, gasolina, gas o aire) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de manera cíclica para que el equipo pueda funcionar de forma continua.

A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor, el cual se transforma en trabajo. El desarrollo de la segunda ley de la termodinámica surgió de la necesidad de incrementar la cantidad de trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido.

Enunciado de Kelvin-Planck o Segunda ley de la termodinámica

Este enunciado nos dice:

“La cantidad de energía que no ha sido transformada en trabajo debe cederse en forma de calor a un foco frio. Es decir, la máquina debe trabajar entre dos focos térmicos, uno de alta temperatura y un foco frio o de baja temperatura”.

Procesos cíclicos más importantes

Ciclo de Carnot

Este ciclo busca obtener la máxima eficiencia de una máquina térmica. Para ello establece que debemos tomar calor de un foco caliente con una temperatura máxima Tc y verter el calor de desecho en un foco frio situado a una temperatura mínima Tf.

Para que este ciclo sea óptimo, el calor absorbido debe tomarse a la temperatura máxima y el calor de desecho debe cederse a una temperatura mínima. Entre los procesos de absorción y de enfriamiento, los procesos necesarios no deben suponer un intercambio de calor con el exterior.

Ciclo Rankine

Es un ciclo para máquinas de vapor. En este ciclo tenemos una bomba que mueve el fluido de trabajo (si es un gas entonces se emplea un compresor) sin importar cuál sea el equipo, ambos necesitan de una cantidad de trabajo para funcionar, Win, la cual puede provenir del equipo o proceder del exterior.

El fluido de trabajo pasa a una caldera donde recibe calor, el fluido ya caliente sale de la caldera y pasa a una turbina, moviendo sus alabes y realizando un trabajo Wout que se aprovecha para generar electricidad.

Ciclo Otto

Es el que más se aproxima al comportamiento de los motores de combustión interna donde está inicia por una chispa. Esto sucede en los motores de cuatro tiempos de gasolina y en los de dos tiempos de ciclomotores y segadoras.

En este ciclo, el cilindro produce una comprensión rápida de una mezcla de aire y gasolina, cuando el embolo alcanza su punto más alto, salta una chispa de una bujía que hace explotar la gasolina y empuja el pistón.

Según el modelo matemático de este proceso, los procesos de comprensión y expansión son tan rápidos que la mezcla no tiene tiempo de intercambiar calor con el ambiente, además, se asume que la explosión ocurre a un volumen constante ya que se anula la velocidad a la que ocurre la explosión.

Ciclo Diesel

Este modelo explica de manera simplificada lo que ocurre en un motor diésel. En estos motores no se emplea una chispa, sino que se aprovechan las propiedades químicas del gasóleo, para ello, se comprime el aire hasta que este alcanza una temperatura superior a la del punto de ignición del combustible, en este punto se inyecta el gasóleo a presión, produciéndose la combustión de la mezcla.

El proceso, a diferencia del ciclo Otto ideal, se realiza a presión constante. Al requerir de presiones elevadas, los motores diésel son más pesados y robustos.

Ciclo Brayton (o Joule)

Este ciclo modela el comportamiento de una turbina de gas como la presente en motores de aviones o en centrales eléctricas de ciclo combinado. En este proceso se da una admisión de aire frio desde el exterior, el cual pasa a una cámara de combustión donde se mezcla con combustible, calentando el aire en la cámara.

Al expandirse esta mezcla, mueve los alabes de la turbina y es expulsada al exterior. Dado que la compresión y la expansión son muy rápidas, se suelen modelar como procesos adiabáticos, es decir, que no intercambiar calor. Este proceso también se realiza a presión constante.