Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CICLOS DE POTENCIA DE GAS
T
T H
q
1 entrada
2
T L
4 3
q salida
s 1 = s 4 s 2 = s 3
FIGURA 9-8
Diagrama T-s para el ejemplo 9-1.
s
Análisis El diagrama T-s de un ciclo de Carnot se vuelve a trazar en la figura
9-8. Los cuatro procesos que componen este ciclo son reversibles y por lo
tanto el área bajo cada curva del proceso representa la transferencia de calor
para ese proceso. El calor se transfiere al sistema durante los procesos 1-2
y se rechaza durante los procesos 3-4. Por consiguiente, las cantidades de
entrada y salida de calor para el ciclo pueden ser expresadas como
q entrada T H 1s 2 s 1 2 y q salida T L 1s 3 s 4 2 T L 1s 2 s 1 2
dado que los procesos 2-3 y 4-1 son isentrópicos y, por lo tanto, s 2 s 3 y
s 4 s 1 . Sustituyendo éstos en la ecuación 9-1, la eficiencia térmica de un
ciclo de Carnot es
w neto
h tér 1 q salida
1 T L 1s 2 s 1 2
q entrada q entrada T H 1s 2 s 1 2 1 T L
T H
Comentario Observe que la eficiencia térmica de un ciclo de Carnot es independiente
del tipo de fluido de trabajo utilizado (un gas ideal, vapor, etc.) o
de si el ciclo es ejecutado en un sistema cerrado o en un sistema de flujo
estacionario.
Aire
Combustible
Aire
Cámara de
combustión
a) Real
Sección de
calentamiento
b) Ideal
Calor
Productos de
combustión
Aire
FIGURA 9-9
En ciclos ideales, el proceso de
combustión se sustituye por otro de
adición de calor.
9-3 ■ SUPOSICIONES DE AIRE ESTÁNDAR
En los ciclos de potencia de gas, el fluido de trabajo permanece como gas durante
todo el ciclo. Los motores de encendido por chispa, los motores diesel
y las turbinas de gas convencionales son ejemplos comunes de dispositivos
que operan en un ciclo de gas. En todas estas máquinas la energía se suministra
al quemar un combustible dentro de las fronteras del sistema, es decir,
son máquinas de combustión interna. Debido a este proceso de combustión la
composición del fluido de trabajo cambia durante el curso del ciclo de aire y
combustible a productos de la combustión. Sin embargo, si se considera que
en el aire predomina el nitrógeno, el cual difícilmente participa en reacciones
químicas en la cámara de combustión, todo el tiempo el fluido de trabajo se
parece mucho al aire.
Aunque las máquinas de combustión interna operan en un ciclo mecánico
(el émbolo regresa a su posición de inicio cuando finaliza cada revolución), el
fluido de trabajo no se somete a un ciclo termodinámico completo; es lanzado
(como gases de escape) fuera de la máquina en algún momento del ciclo en
lugar de regresarlo al estado inicial. Trabajar en un ciclo abierto es la característica
de todas las máquinas de combustión interna.
Los ciclos de potencia de gases reales son bastante complejos. Para reducir el
análisis a un nivel manejable, se utilizan las siguientes aproximaciones, conocidas
comúnmente como suposiciones de aire estándar:
1. El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito
cerrado y siempre se comporta como un gas ideal.
2. Todos los procesos que integran el ciclo son internamente reversibles.
3. El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de
calor desde una fuente externa (Fig. 9-9).
4. El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor
que regresa al fluido de trabajo a su estado inicial.
Para simplificar aún más el análisis, con frecuencia se emplea la suposición
de que el aire tiene calores específicos constantes cuyos valores se determinan
a temperatura ambiente (25 °C o 77 °F). Cuando se utiliza esta suposi-