Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regresa a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.

No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho, ya que éstas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energía entre éste y su entorno. Un hecho característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.

Define a la termodinámica como la rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de la energía. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico.

PRIMER PRINCIPIO:

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de la termodinámica.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente: ΔU=Q-W

SEGUNDO PRINCIPIO: Este principio marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, dice algo así como que una mancha de tinta dispersada en el agua no puede volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. De esta forma, el segundo principio impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

CICLO DE CARNOT: El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura, cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es ceder calor a la fuente caliente, bomba de calor.

El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritas acorde con el Criterio de signos termodinámico.

Expansión isotérmica: Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T₁ de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T₁, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T₁ y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1ª ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo.

Expansión adiabática: La expansión isotérmica termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso.

CICLO REAL: Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasiestático y sin efectos disipativos. Los efectos disipativos se reducen minimizando el rozamiento entre las distintas partes del sistema y los gradientes de temperatura; el proceso es cuasiestático si la desviación del equilibrio termodinámico es a lo sumo infinitesimal, esto es, si el tiempo característico del proceso es mucho mayor que el tiempo de relajación (el tiempo que transcurre entre que se altera el equilibrio hasta que se recupera). Por ejemplo, si la velocidad con la que se desplaza un émbolo es pequeña comparada con la del sonido del gas, se puede considerar que las propiedades son uniformes espacialmente, ya que el tiempo de relajación mecánico es del orden de V^1/3/a (donde V es el volumen del cilindro y a la velocidad del sonido), tiempo de propagación de las ondas de presión, mucho más pequeño que el tiempo característico del proceso, V^1/3/w (donde w es la velocidad del émbolo), y se pueden despreciar las irreversibilidades.

Ciclos frigoríficos con régimen seco: Para lograr este ciclo se instala un separador de líquido en la forma indicada. El vapor saturado seco pasa directamente al compresor y el líquido se vaporiza en el evaporador, volviendo luego al separador de líquido y de allí al compresor, asegurando en esta forma que en el cilindro se aspire solo vapor saturado seco en lugar de vapor húmedo. La colocación del separador del líquido antes del evaporador permite que el mismo trabaje con un menor caudal de fluido y que ingrese al mismo solo líquido refrigerante, en esta forma mejora el proceso de transmisión del calor en dicho intercambiador.

Elección de un fluido refrigerante: El máximo rendimiento (correspondiente a un ciclo real) es independiente del fluido empleado. Pero el ciclo de compresión de vapores presenta desviaciones respecto al de Carnot y a esto se debe que el rendimiento dependa del refrigerante empleado. Aun así, la elección del medio refrigerante no puede basarse exclusivamente en el rendimiento y entran en consideración otros factores:
– Costos
– Facilidad de obtención
– Toxicidad
– Corrosividad
– Debe tener alto calor de vaporización
– Las presiones de vaporización y condensación deben ser bajas
– No inflamable
– Etc.
De acuerdo con esto, el número de refrigerantes se reduce a muy pocos: amoniaco (NH3), dióxido de azufre (SO2), cloruro de metilo (ClCH3), etc.

Ventajas del amoniaco: No corroe al acero ni al hierro, no ataca a los aceites, baja presión en condensador y vaporizador, elevado calor latente de vaporización, no inflamable ni explosivo, etc.

SISTEMAS Y VARIABLES TERMODINÁMICAS.

Decimos que un sistema homogéneo está en equilibrio cuando sus propiedades macroscópicas permanecen invariables a lo largo del tiempo.

En realidad existen tres tipos de equilibrios a considerar:

• Equilibrio mecánico. La presión es igual en todos sus puntos, es decir, no existen turbulencias en él.

• Equilibrio químico. La composición no varía con el tiempo, es decir, no hay transferencia neta de materia de una parte del sistema a otra.

• Equilibrio térmico. En él se comprueba que la temperatura es la misma en todas las partes del sistema.

Cuando se dan conjuntamente los tres equilibrios en un sistema, decimos que se halla en equilibrio termodinámico.

Las tres variables de estado (presión, volumen y temperatura) se relacionan por medio de la ecuación de estado, que para n moles de un gas que se comporta de manera ideal tiene la forma:

ENTROPIA: Puede ser la magnitud física termodinámica que permite medir la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema. Esto quiere decir que dicha parte de la energía no puede usarse para producir un trabajo.

Se entiende por entropía también a la medida del desorden de un sistema. En este sentido, está asociada a un grado de homogeneidad.

ΔS=Q
       S

CICLO DE CARNOT INVERSO: El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador o bomba de calor de Carnot.

Aunque en la práctica no es utilizado por razones que más adelante se expondrán, sirve de referencia para evaluar el desempeño de un dispositivo real que trabaje bajo las mismas condiciones de temperatura.

Coeficiente de efecto frigorífico: Llamamos poder refrigerante al calor extraído de la fuente fría (Q) para obtener un valor indicativo de la calidad de eficiencias de un ciclo frigorífico se define el llamado coeficiente del efecto frigorífico que es la relación entre el efecto útil del ciclo y la energía que se gasta para producirla: Q= T°.ΔS

Ef= QF  .   QF    = Tf . ΔS        =   TF     
     Wk     Qc-Qf   Tc.ΔS-Tf.ΔS      Tc -Tf

Equipo necesario para realizar el ciclo ideal:

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.