1. PROCESO ADIABATICO
En termodinámica se designa como proceso adiabático a
aquél en el cual el sistema (generalmente, un fluido que
realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un
proceso adiabático que es además reversible se conoce
como proceso isoentrópico. El extremo opuesto, en el que
tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que
la temperatura permanezca constante, se
denomina proceso isotérmico.
El término adiabático hace referencia a elementos que
impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared
aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro
ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la
temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera
pérdida de calor hacia el entorno.
Procesos ISO
Son los procesos cuyas magnitudes permanecen "constantes", es decir que el sistema
cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformación. Se les asigna el
prefijo iso-.
Ejemplo:
Isotérmico: proceso a temperatura constante.
Isobárico: proceso a presión constante.
Isométrico o isocórico: proceso a volumen constante.
Proceso isocórico
Un proceso isocórico, también llamado como abraham proceso isométrico o
isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece
constante; . Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen,
ya que éste se define como , donde es la presión (el trabajo es
positivo, ya que es ejercido por el sistema).
Aplicando la primera ley de la termodinámica,
podemos deducir que , el cambio de la energía
interna del sistema es:
Para un proceso isocórico: es decir, todo el calor que
transfiramos al sistema se sumará a su energía
2. interna, . Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de
energía será proporcional al incremento de temperatura,
Donde es el calor específico molar a volumen constante. En un diagrama P-V, un
proceso isocórico aparece como una línea vertical.
Cálculo del Trabajo (W)
Puesto que no existe desplazamiento, el trabajo realizado por el gas es nulo.
Cálculo de la Variación de la Energía Interna (ΔU)
Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que ΔU, el cambio
de la energía interna del sistema, es:
Para un proceso isocórico, es decir a volumen constante, todo
el calor que transfiramos al sistema aumentará a su energía interna U.
Cálculo del calor entregado
Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de
energía será proporcional al incremento de temperatura,
Donde CV es el calor específico molar a volumen constante.
Proceso isobárico
Un proceso isobárico es un proceso termodinámico que
ocurre a presión constante. La Primera Ley de la
Termodinámica, para este caso, queda expresada como
sigue:
,
3. Donde:
= Calor transferido.
= Energía Interna.
= Presión.
= Volumen.
En un diagrama P-V, un proceso isobárico aparece como una línea
horizontal.
Proceso isotérmico
Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en
un sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el
sistema. La compresión o expansión de un gas ideal en contacto permanente con
un termostato es un ejemplo de proceso isotermo, y puede llevarse a cabo colocando el
gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la
misma temperatura que el gas; este otro sistema se
conoce como foco calórico. De esta manera, el calor
se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas
se expanda realizando trabajo. Como la energía
interna de un gas ideal sólo depende de la
temperatura y ésta permanece constante en la
expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual
al trabajo realizado por el gas: Q = W.
Una curva isoterma es una línea que sobre
un diagrama representa los valores sucesivos de las
diversas variables de un sistema en un proceso
isotermo. Las isotermas de un gas ideal en
un diagrama P-V, llamado diagrama de Clapeyron, son
hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es P•V = constante.
Ciclos termodinámicos
Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos
termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos,
el sistema regrese 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
4. la primera ley de la termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por
el sistema debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.
Ciclo carnot
El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad
de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja
temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido,
como en todo ciclo, por
y, como se verá adelante, es mayor que
cualquier máquina que funcione
cíclicamente entre las mismas fuentes de
temperatura. Una máquina térmica que
realiza este ciclo se denomina máquina de
Carnot.
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 extraer calor de la fuente
caliente, bomba de calor.
Ciclo Otto
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión
interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una
primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.
Ciclo de dos carreras: El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales no participan
en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para
la renovación de la carga del mismo:
E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga)
A-B: compresión isoentrópica
B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva
rápidamente antes de comenzar el tiempo útil
C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo
5. D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante
A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga)
Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos
tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el
más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho
menos que el motor de dos tiempos.
Artículo principal: Ciclo de cuatro tiempos.
1. Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de
admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla
de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto no significa que entre de
forma gaseosa).
2. Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve
hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón
llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.
3. Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla,
liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del
pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía
química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón.
Él la trasmite a la biela, y la biela la
trasmite al cigüeñal, de donde se toma
para su utilización.
4. En la cuarta fase se abre la válvula de
escape y el pistón se mueve hacia el PMS,
expulsando los gases producidos durante la
combustión y quedando preparado para
empezar un nuevo ciclo (renovación de la
carga)
Para mejorar el llenado del cilindro, también se
utilizan sistemas de sobrealimentación, ya sea
mediante empleo del turbo compresor o
mediante compresores volumétricos o también
llamados compresores de desplazamiento positivo.
Ciclo diesel
El ciclo del motor diesel lento (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la
realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un
motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovación de la carga., y se asume que
6. el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se
acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan sobre el
mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy aproximado del comportamiento
real del motor, permite al menos extraer una serie de conclusiones cualitativas con
respecto a este tipo de motores. No hay que olvidar que los grandes motores marinos
y de tracción ferroviaria son del ciclo de 2 tiempos.
Consta de las siguientes fases:
Compresión, proceso 1-2: es un proceso de compresión adiabática reversible
(isentrópica)
Combustión, proceso 2-3: en esta idealización, el aporte de calor Qp se simplifica por
un proceso isóbaro (a presión constante).
Explosión/Expansión, proceso 3-4: se
simplifica por una expansión
isentrópica (adiabática) del fluido
termodinámico, hasta el volumen específico
que se tenía al inicio de la compresión.
Última etapa, proceso 4-1: esta etapa es
un proceso isocórico (escape) es decir
a volumen constante.