Nombre: Ángel de Jesús Orcon Quispe
Código: 2015-103058
Principio de Carnot
En el siglo XIX el ingeniero francés icol!s "arno# conci$i%& es#udi% ' desarroll% un ciclo #er(odin!(ico& )ue cons#i#u'e el ciclo $!sico de #odos los (o#ores #ér(icos& en el*
+e su(inis#ra al (o#or energ,a en for(a de calor a #e(pera#ura eleada. eleada. /a acci%n del calor per(i#e realiar un #ra$ao (ec!nico al (o#or. El (o#or cede calor al foco de #e(pera#ura inferior.
Teorema: Ningún motor que funcione entre dos focos caloríficos dados, puede tener un rendim rendimien iento to super superior ior al de un motor motor de Carno Carnott que funcione funcione entre los dos mismos focos.
Ciclo de Carnot. Teoremas de Carnot
ara ara pode poderr lleg llegar ar a una una for( for(ul ulac aci% i%n n (a#e (a#e(! (!#i#ica ca del del segu segund ndo o prin princi cipi pio o de la #er(odin!(ica e(plea(os lo )ue se conoce co(o un ciclo de "arno#* una (!)uina )ue funciona c,clica(en#e en#re dos focos (edian#e procesos reersi$les& por #an#o pued puede e ser ser (o#o (o#orr o frig frigor or,f ,fic ico. o. n cicl ciclo o de "arn "arno# o# es#! es#! cons cons#i#i#u #uid ido o por por dos dos #ran #ransf sfor or(a (aci cion ones es iso# iso#er er(a (ass ree reers rsi$ i$le less ' dos dos #ran #ransf sfor or(a (aci cion ones es adia adia$! $!#i#ica cass reersi$les. 4uran#e las #ransfor(aciones iso#er(as el sis#e(a a$sor$e ' cede calor a #e(pera#ura cons#an#e ' en las #ransfor(aciones adia$!#icas el sis#e(a in#erca($ia #ra$ao. Primer teorema de Carnot:
El rendi(ien#o de una (!)uina de "arno# )ue funcione en#re dos focos #ér(icos es superior al de cual)uier (!)uina real funcionando en#re los (is(os pun#os. /a for(a de de(os#rar es#e #eore(a es poniendo dos (!)uinas a #ra$aar en#re los (is(os focos& siendo una real ' o#ra una (!)uina de "arno#. +i las acopla(os de alguna (anera ' aplica(os el pri(er principio e(os )ue la única for(a de )ue no se iole ninguno de los enunciados del segundo principio i(plica )ue el rendi(ien#o de la (!)uina de "arno# es superior al de la (!)uina real. Segundo teorema de Carnot
"ual)uier (!)uina reersi$le )ue funcione en#re los (is(os focos #iene el (is(o rendi(ien#o sea cual sea la sus#ancia con la )ue #ra$aa. /a de(os#raci%n de es#e #eore(a es )ue si #uiesen un rendi(ien#o diferen#e& al iner#ir una de las (!)uinas se podr,a acoplar con la o#ra dando lugar a la iolaci%n de alguno de los enunciados del segundo principio.
-
na na (!)uina (!)uina #ér(i #ér(ica ca #o#al( #o#al(en# en#e e reersi reersi$le $le es#! es#! li$re li$re de efec#os efec#os disipa disipa#i #ios os ' dese)u dese)uilili$r i$rio io duran duran#e #e su operac operaci% i%n& n& #ales #ales efec#o efec#oss de$en de$en ser ser nulos nulos en la (!)uina ' en la #ransferencia de calor )ue se realia con una fuen#e #ér(ica ' un su(idero de calor& es decir& la #ransferencia de calor de$e ser reersi$le. ero si den#ro de la (!)uina #ér(ica eis#e alguna irreersi$ilidad o 6a' in#eracciones de la (!)uina #ér(ica con su a($ien#e& la (!)uina se clasifica co(o irreersi$le. El ciclo de "arno# es el ciclo (!s eficien#e.
-
El ciclo ciclo de de "arno# "arno# es un ciclo #e%rico #e%rico ' reer reersi$l si$le& e& su li(i#aci% li(i#aci%n n es la la capacid capacidad ad )ue posee un sis#e(a para coner#ir en calor el #ra$ao& se u#ilia en las (!)uinas )ue usan apor o una (ecla de co($us#i$le con aire u o,geno.
NOTA: “Las cosas ideales sólo nos ayudan a entender las reales”. +e dice )ue un
proceso #er(odin!(ico es reersi$le& cuando aco(e#iendo pe)ue7os ca($ios en el a($ien#e pode(os conseguir )ue recorra su #ra'ec#oria inersa. En la pr!c#ica es
ara ara pode poderr lleg llegar ar a una una for( for(ul ulac aci% i%n n (a#e (a#e(! (!#i#ica ca del del segu segund ndo o prin princi cipi pio o de la #er(odin!(ica e(plea(os lo )ue se conoce co(o un ciclo de "arno#* una (!)uina )ue funciona c,clica(en#e en#re dos focos (edian#e procesos reersi$les& por #an#o pued puede e ser ser (o#o (o#orr o frig frigor or,f ,fic ico. o. n cicl ciclo o de "arn "arno# o# es#! es#! cons cons#i#i#u #uid ido o por por dos dos #ran #ransf sfor or(a (aci cion ones es iso# iso#er er(a (ass ree reers rsi$ i$le less ' dos dos #ran #ransf sfor or(a (aci cion ones es adia adia$! $!#i#ica cass reersi$les. 4uran#e las #ransfor(aciones iso#er(as el sis#e(a a$sor$e ' cede calor a #e(pera#ura cons#an#e ' en las #ransfor(aciones adia$!#icas el sis#e(a in#erca($ia #ra$ao. Primer teorema de Carnot:
El rendi(ien#o de una (!)uina de "arno# )ue funcione en#re dos focos #ér(icos es superior al de cual)uier (!)uina real funcionando en#re los (is(os pun#os. /a for(a de de(os#rar es#e #eore(a es poniendo dos (!)uinas a #ra$aar en#re los (is(os focos& siendo una real ' o#ra una (!)uina de "arno#. +i las acopla(os de alguna (anera ' aplica(os el pri(er principio e(os )ue la única for(a de )ue no se iole ninguno de los enunciados del segundo principio i(plica )ue el rendi(ien#o de la (!)uina de "arno# es superior al de la (!)uina real. Segundo teorema de Carnot
"ual)uier (!)uina reersi$le )ue funcione en#re los (is(os focos #iene el (is(o rendi(ien#o sea cual sea la sus#ancia con la )ue #ra$aa. /a de(os#raci%n de es#e #eore(a es )ue si #uiesen un rendi(ien#o diferen#e& al iner#ir una de las (!)uinas se podr,a acoplar con la o#ra dando lugar a la iolaci%n de alguno de los enunciados del segundo principio.
-
na na (!)uina (!)uina #ér(i #ér(ica ca #o#al( #o#al(en# en#e e reersi reersi$le $le es#! es#! li$re li$re de efec#os efec#os disipa disipa#i #ios os ' dese)u dese)uilili$r i$rio io duran duran#e #e su operac operaci% i%n& n& #ales #ales efec#o efec#oss de$en de$en ser ser nulos nulos en la (!)uina ' en la #ransferencia de calor )ue se realia con una fuen#e #ér(ica ' un su(idero de calor& es decir& la #ransferencia de calor de$e ser reersi$le. ero si den#ro de la (!)uina #ér(ica eis#e alguna irreersi$ilidad o 6a' in#eracciones de la (!)uina #ér(ica con su a($ien#e& la (!)uina se clasifica co(o irreersi$le. El ciclo de "arno# es el ciclo (!s eficien#e.
-
El ciclo ciclo de de "arno# "arno# es un ciclo #e%rico #e%rico ' reer reersi$l si$le& e& su li(i#aci% li(i#aci%n n es la la capacid capacidad ad )ue posee un sis#e(a para coner#ir en calor el #ra$ao& se u#ilia en las (!)uinas )ue usan apor o una (ecla de co($us#i$le con aire u o,geno.
NOTA: “Las cosas ideales sólo nos ayudan a entender las reales”. +e dice )ue un
proceso #er(odin!(ico es reersi$le& cuando aco(e#iendo pe)ue7os ca($ios en el a($ien#e pode(os conseguir )ue recorra su #ra'ec#oria inersa. En la pr!c#ica es
i(posi$le& en la na#uralea #odos los procesos )ue ocurren son irreersi$les. +in e($argo el es#udio de es#os procesos es (u' ú#il pues nos da el alor del rendi(ien#o (!i(o )ue se puede o$#ener de una (!)uina.
/os procesos procesos reales reales #ienen alguna irreersi$ilidad& 'a sea (ec!nica por roa(ien#o& #ér( #ér(ic ica a o de o#ro o#ro #ipo #ipo.. +in +in e($a e($arg rgo& o& las las irre irree ers rsi$ i$ililid idad ades es se pued pueden en redu reduci cirr& pudiéndose considerar reersi$le un proceso cuasi es#!#ico ' sin efec#os disipa#ios. /os efec#os disipa#ios se reducen (ini(iando el roa(ien#o en#re las dis#in#as par#es del sis#e(a sis#e(a ' los gradien gradien#es #es de #e(pe #e(pera# ra#ura ura el proces proceso o es cuasi cuasi es#!# es#!#ico ico si la desiaci%n del e)uili$rio #er(odin!(ico es a lo su(o infini#esi(al& es#o es& si el #ie(po carac#er,s#ico del carac#er,s#ico del proceso es (uc6o (a'or )ue el #ie(po de relaaci%n 9el #ie(po )ue #ranscurre en#re )ue se al#era el e)uili$rio 6as#a )ue se recupera:. or ee(plo& si la elocidad con la )ue se desplaa un é($olo es pe)ue7a co(parada con la del sonido del gas& se puede considerar )ue las propiedades son unifor(es espacial(en#e& 'a )ue el #ie(po de relaaci%n (ec!nico es del orden de V 1/3 /a 9donde V es es el olu(en del cilin cilindro dro ' a la elo elocida cidad d del soni sonido do:& :& #ie(p #ie(po o de propa propagac gaci%n i%n de las las ond ondas as de presi%n&& (u presi%n (uc6o (!s pe)ue7o )ue el #ie(po carac#er,s#ico del 1/3 proceso& V /w 9donde 9donde w es la elocidad del é($olo:& ' se pueden despreciar las irreersi$ilidades. +i se 6ace )ue los procesos adia$!#icos del ciclo sean len#os para (ini(iar las irreersi$ilidades irreersi$ilidades se 6ace i(posi$le frenar la #ransferencia de calor. calor. "o(o las paredes reales del sis#e(a no pueden ser co(ple#a(en#e adia$!#icas& el aisla(ien#o #ér(ico es i(posi$le& so$re #odo si el #ie(po carac#er,s#ico del proceso es largo. ;de(!s& en los procesos iso#er(os del ciclo eis#en irreersi$ilidades irreersi$ilidades in6eren#es a la #ransferencia
de calor. or lo #an#o& es i(posi$le conseguir un ciclo real li$re de irreersi$ilidades& ' por el pri(er #eore(a de "arno# la eficiencia ser! (enor )ue un ciclo ideal. El ciclo de "arno# es un ciclo #er(odin!(ico reersi$le )ue usa un gas perfec#o ' )ue cons#a de cua#ro e#apas* 1. Epansi%n iso#er(a. En la si#uaci%n inicial el gas se encuen#ra a la (!i(a presi%n& (,ni(o olu(en ' la (!i(a #e(pera#ura dada por el foco calien#e. En con#ac#o con el foco& el gas se epande 9dis(inu'endo la presi%n ' au(en#ando el olu(en: de for(a iso#er(a 9#e(pera#ura cons#an#e: por lo )ue se a$sor$e calor de la fuen#e. 2.
Epansi%n adia$!#ica. +e a,sla #ér(ica(en#e el recipien#e )ue con#iene el gas 9por ello no eis#e #ransferencia de calor con el e#erior: as, )ue con#inúa epandiéndose pero en es#a e#apa se consigue ade(!s )ue el gas dis(inu'a su #e(pera#ura.
3.
"o(presi%n iso#er(a. En es#a e#apa se co(pri(e el gas 9au(en#ando presi%n ' dis(inu'endo el olu(en )ue és#e ocupa: (an#eniendo cons#an#e la #e(pera#ura. 4ada es#a si#uaci%n el gas cede calor al foco fr,o.
"o(presi%n adia$!#ica. ;islado #ér(ica(en#e& el sis#e(a eoluciona co(pri(iéndose ' au(en#ando su #e(pera#ura 6as#a el es#ado inicial.
/a represen#aci%n gr!fica del ciclo de "arno# en un diagra(a p-< es el siguien#e =ra(o ;-> iso#er(a a la #e(pera#ura T 1 =ra(o >-" adia$!#ica =ra(o "-4 iso#er(a a la #e(pera#ura
T 2
=ra(o 4-; adia$!#ica
otor
y
!rigor"!ico n (o#or de "arno# es un disposi#io ideal )ue descri$e
un ciclo de "arno#. =ra$aa en#re dos focos& #o(ando calor Q1del foco calien#e a la #e(pera#ura T 1& produciendo un #ra$ao W & ' cediendo un calor Q2 al foco fr,o a la #e(pera#ura T 2 . En un (o#or real& el foco calien#e es#! represen#ado por la caldera de apor )ue su(inis#ra el calor& el sis#e(a cilindro-é($olo produce el #ra$ao ' se cede calor al foco fr,o )ue es la a#(%sfera.
/a (!)uina de "arno# #a($ién puede funcionar en sen#ido inerso& deno(in!ndose en#onces frigor,fico. +e e#raer,a calor Q2 del foco fr,o aplicando un #ra$ao W & ' ceder,a Q1 al foco calien#e. En un frigor,fico real& el (o#or conec#ado a la red eléc#rica produce un #ra$ao )ue se e(plea en e#raer un calor del foco fr,o 9la caidad del frigor,fico: ' se cede calor al foco calien#e& )ue es la a#(%sfera.
#!ecto $oule:
+e conoce co(o Efec#o Joule al fen%(eno por el cual si en un conduc#or circula corrien#e eléc#rica& par#e de la energ,a ciné#ica de los elec#rones se #ransfor(a en calor de$ido a los c6o)ues )ue sufren con los !#o(os del (a#erial conduc#or por el )ue circulan& eleando la #e(pera#ura del (is(o. En pocas pala$ras el efec#o oule es el calen#a(ien#o )ue #iene un conduc#or al paso una corrien#e& en #ér(inos de dis#ri$uci%n son las pérdidas de energ,a al calen#a(ien#o de un conduc#or 'a )ue la conducci%n de energ,a por un conduc#or de cali$re inferior represen#a un calen#a(ien#o ac#uando co(o una resis#encia al paso de la corrien#e. %ormulación #!ecto $oule:
Es#e efec#o es u#iliado para calcular la energ,a disipada en un conduc#or a#raesado por una corrien#e eléc#rica de la siguien#e (anera*
/a po#encia P disipada en un conduc#or es igual a la diferencia de po#encial & a la )ue es#! so(e#ido (ul#iplicada por la in#ensidad de corrien#e ' )ue lo a#raiesa. /a energ,a
desarrollada # es el produc#o de la po#encia P por el #ie(po t #ranscurrido& luego la energ,a # es el produc#o de la #ensi%n & por la in#ensidad ' ' por el #ie(po t.
CONCL(S'ON#S: )Por *u+ calentar algo con e!ecto $oule con energ"a el+ctrica pudi+ndolo ,acer con gas es energ+ticamente absurdo-
Es un derroc6e de recursos calen#ar con energ,a eléc#rica& si se puede 6acer con gas& dado )ue por efec#o Joule la energ,a se disipa ' se pierde por en#re las paredes del conduc#o& ll!(ese ca$le& ala($re& e#c. ?ien#ras )ue el gas puede llegar 6as#a donde lo necesi#o ' li$erar su energ,a donde )uiero sin perder energ,a por las paredes. )Por *u+ se dice *ue la naturalea traba/a siguiendo principio de Carnot-
En la na#uralea* a: o )uedan en a$solu#o sa#isfec6as las condiciones de e)uili$rio (ec!nico& )u,(ico o #ér(ico& es decir& de e)uili$rio #er(odin!(ico. $: +e producen sie(pre efec#os de disipaci%n energé#ica& iscosidad& resis#encia eléc#rica& e#c... Nota: +ola(en#e si un proceso se realia cuasi-es#!#ica(en#e pasar,a por una serie
de es#ados de e)uili$rio #er(odin!(ico de (odo )ue el #ra$ao )ue realia puede reci$irlo en el proceso inerso. -
/a #ransferencia de calor Iso#ér(ica reersi$le es (u' dif,cil& as, )ue no es prac#ico cons#ruir una (!)uina )ue opere en un ciclo )ue se aproi(e en gran (edida al ciclo de "arno#& en #ér(inos de #ie(po ' recursos.
El motor Srling Introducción: El motor Srling fue originalmente inventado por Sir Robert Srling, fraile escocés, hacia 1816. La patente de este motor era el glamoroso nal de una serie de intentos de simplicar las m!"uinas a vapor. Srling consideraba demasiado complicado calentar agua en una caldera, producir vapor, e#pansionarlo en un motor, condensarlo $ mediante una bomba introducir de nuevo el agua en la caldera. %tro impulso para desarrollar un nuevo sistema fueron los accidentes fatales causados frecuentemente por las m!"uinas a vapor, $a "ue a&n no se hab'a inventado el acero $ las calderas e#plotaban con facilidad. El motor de Srling reali(aba los mismos procesos de calentamiento $ enfriamiento de un gas, pero todo dentro del motor $ el gas era aire en ve( de vapor de agua, por lo "ue el motor no necesitaba caldera. )n po de motor bastante com&n en su época, sobre todo para pe"ue*as ma"uinas de uso domesco tales como venladores, bombas de agua etc..., su potencia especica no era mu$ elevada pero su sencille( $ silencio eran magn'cos. La teor'a +sica, el proceso arnot, fue denido - a*os mas tarde. /erdi0 interés después del desarrollo del motor de combus0n interna $ ha retomado interés en los &lmos a*os por varias caracter'scas mu$ favorables "ue ene. En parcular
Rendimiento: el motor Srling ene el potencial de alcan(ar el rendimiento de
arnot, lo cual le permite, te0ricamente, alcan(ar el l'mite m!#imo de rendimiento.
Fuente de Calor Externa: este motor intercambia el calor con el exterior , por lo
tanto es adaptable a una gran gama de fuentes de calor para su operaci0n. Se han construido motores Srling "ue usan como fuente de calor la energ'a
nuclear, energ'a solar, combusbles f0siles, calor de desecho de procesos, etc. 2l ser de combus0n e#terna, el proceso de combus0n se puede controlar mu$ bien, por lo cual se reducen las emisiones.
Ciclo cerrado: el 3uido de traba4o opera en un ciclo cerrado $ la fuente de calor
es e#terna. Esto hace "ue este motor sea, potencialmente, de mu$ ba4o nivel de emisiones. omo contraparda a estas caracter'scas favorables, est! el hecho de "ue el 3uido de traba4o es gaseoso, lo cual acarrea dicultades operavas. En la pr!cca, se ha visto "ue los 3uidos de traba4o viables son el hidr0geno $ el helio, ambos por buenas propiedades termodin!micas.
¿Qué es un motor srling? Se define como motor Stirling como aquel dispositivo que convierte trabajo en calor o viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo, con compresión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas, la del foco caliente y la del foco frío. s una maquina de combustión externa, o sea, puede adaptarse a cualquier fuente de energía !combustión convencional o mixta, por ejemplo, con biomasa y gas, energía solar" , sin que ello afecte al funcionamiento interno del motor.
Tipos de Motor Stirling: o
Motor Tipo Alfa:
onsta de dos cilindros independientes, sin despla(ador, con dos pistones desfasados 5. )no de los cilindros se calienta mediante mechero de gas o alcohol $ el otro se enfr'a mediante aletas o agua.
o
Motor Tipo Beta:
Es el motor original de Srling. onsta de un cilindro con una (ona caliente $ otra fr'a. En el interior del cilindro est! el despla(ador. Los motores pe"ue*os no suelen llevar regenerador, $ e#iste una holgura de algunas décimas de mil'metro entre el despla(ador $ el cilindro para permir el paso del gas.
o
Motor Tipo Gamma:
Est! derivado del beta, pero m!s sencillo de construir. onsta de dos cilindros separados, en uno de los cuales se sit&a el despla(ador $ en el otro el pist0n de potencia
Funcionamiento: El principio del funcionamiento es tan s0lo el calentar $ enfriar un medio de traba4o, sea aire, helio, hidr0geno o incluso un l'"uido. alentando ese medio provoca una e#pansi0n del mismo dentro del motor. El medio de despla(a a otra parte del motor d0nde es enfriado. 2l enfriar el medio, el volumen se reduce de nuevo. Ese cambio de vol&menes acva un pist0n de traba4o el cual e4erce el traba4o del motor. El motor es herméco por lo "ue siempre se uli(a el mismo medio en un circuito cerrado no ha$ escape del medio de traba4o9 7
Regenerador: E#iste un elemento del motor, llamado regenerador, "ue, aun"ue no es obligatorio, permite alcan(ar ma$ores rendimientos. :ste, ene la funci0n de absorber $ ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador es un medio poroso, con conducvidad térmica despreciable. ;ivide al motor en dos (onas (ona caliente $ (ona fr'a. El 3uido se despla(a de la (ona caliente a la fr'a a lo largo de los diversos ciclos de traba4o, atravesando el regenerador.
Funcionamiento del motor Srling mediante un ejemplo prcco:
#maginemos un tubo de ensayo en el que hemos introducido unas canicas, hemos puesto un tapón y mediante un tubo de silicona lo hemos conectado con un peque$o globo. Si calentamos un extremo del tubo de ensayo por ejemplo con un mechero de alcohol, tendremos dos %onas una fría y otra caliente en el tubo. Si las canicas están en la %ona caliente, el aire del interior del tubo estará en la %ona fría y el globo se mantendrá desinflado.
Si inclinamos el tubo de modo que las canicas pasen al otro lado, el aire deberá pasar a la %ona caliente y por lo tanto se calentará aumentando su temperatura y su presión con lo que el globo se hinchará y podrá reali%ar un trabajo.
Si
volvemos a inclinar el tubo en sentido contrario las canicas volverán a la %ona caliente y el aire a la %ona fría con lo que se volverá a enfriar y el globo se desinflará. &n motor construido así no es muy efica%, ya que el calor gastado en calentar el aire se utili%a en producir un trabajo !inflar el globo" pero se pierde al enfriar el aire cuando las canicas lo hacen pasar a la %ona fría. Si sustituyéramos la canica central por una bolita formada hilos metálicos muy finos !por ejemplo lana de acero de la utili%ada para pulir", el aire al pasar de la %ona caliente a la fría cedería su calor a estos hilitos y luego al pasar de la %ona fría a la caliente tomaría calor de estos hilos y no sería necesario aportar tanto calor para inflar el globo. n los motores de Stirling las canicas son sustituidas por un cilindro que despla%a el aire de la %ona caliente a la fría y el globo es sustituido por un conjunto cilindro pistón que es quien reali%a el trabajo del motor. 'a bolita de hilos metálicos que almacena y cede calor se denomina Regenerador.
Ciclo del motor Srling:
El motor Srling en su ciclo ideal es capa( de desarrollar el traba4o m!#imo posible entre dos focos térmicos a disnta temperatura, conocido como rendimiento de arnot, pero "ue a diferencia del ciclo de arnot poco &l técnicamente, el motor Srling es capa( de generar traba4o de forma pracca, pudiendo en algunos casos reales llegar al 8< del traba4o m!#imo obtenible,
lo "ue lo sit&a como una opci0n ante estos empos de necesidad de ma$or eciencia energéca $ menor contaminaci0n.
;esde el punto de vista termodin!mico el ciclo de un motor Srling consta de dos procesos isoc0ricos $ de dos isotérmicos.
El ciclo del motor Srling est! compuesto por dos evoluciones a =olumen constante $ dos evoluciones isotérmicas, una a > c $ la segunda a > f . El 3uido de traba4o se supone
es un gas perfecto. En el ciclo te0rico ha$ un aspecto importante "ue es la e#istencia de un regenerador. Este ene la propiedad de poder absorber $ ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. Si no e#iste regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es inferior. ?a$ algunos aspectos b!sicos a entender en la operaci0n de un motor Srling
El motor ene dos pistones $ el regenerador. El regenerador divide al motor en dos (onas, una (ona caliente $ una (ona fr'a. El regenerador es un medio poroso, capa( de absorber o ceder calor $ con conducvidad térmica despreciable. El 3uido de traba4o est! encerrado en el motor $ los pistones lo despla(an de la (ona caliente a la fr'a o viceversa en ciertas etapas del ciclo. /or lo tanto se trata de un ciclo cerrado. uando se despla(a el 3uido desde la (ona caliente a la fr'a o al revés9, este atraviesa el regenerador.
El movimiento de los pistones es sincroni(ado para "ue se obtenga traba4o &l.
Se supone "ue el volumen muerto es cero $ el volumen de gas dentro del regenerador es despreciable en el caso del ciclo te0rico. omo en el ciclo real esto no ocurre, el rendimiento es algo inferior. En el ciclo te0rico se supone "ue la eciencia del regenerador es de un 1<. Es decir devuelve todo el calor almacenado $ adem!s con recuperaci0n total de temperaturas. La descripci0n del ciclo es como sigue
El cilindro fr'o est! a m!#imo volumen $ el cilindro caliente est! a volumen m'nimo, pegado al regenerador. El regenerador se supone est! @cargado@ de calor. El 3uido de traba4o est! a >f a volumen m!#imo, =ma# $ a p1.
ntre ( y ) se extrae la cantidad * f de calor del cilindro !por el lado frío". l proceso se reali%a a +f constante. or lo tanto al final !en )" se estará a volumen mínimo, -min, +f y p). l pistón de la %ona caliente no se ha despla%ado. n esta evolución es sistema absorbe trabajo.
Entre A $ B los dos pistones se despla(an en forma paralela. Esto hace "ue todo el 3uido atraviese el regenerador. 2l ocurrir esto, el 3uido absorbe la candad CD de calor $ eleva su temperatura de > f a > c. /or lo tanto al nal en B9 se estar! a >c, =min $ pB. El regenerador "ueda @descargado@. En esta evoluci0n el traba4o neto absorbido es cero salvo por pérdidas por roce al atravesar el 3uido el regenerador9.
Entre B $ - el pist0n fr'o "ueda 4unto al lado fr'o del regenerador $ el caliente sigue despla(!ndose hacia un ma$or volumen. Se absorbe la candad de calor C c $ el proceso es idealmente9 isotérmico. 2l nal el 3uido de traba4o est! a >c, el volumen es =ma# $ la presi0n es p -.
inalmente los dos pistones se despla(an en forma paralela de - a 1, haciendo atravesar el 3uido de traba4o al regenerador. 2l ocurrir esto el 3uido cede calor al regenerador, este se carga de calor, la temperatura del 3uido ba4a de >c a >f $ la presi0n ba4a de p - a p1. 2l nal de la evoluci0n el 3uido est! a = ma#, p1 $ >f . El regenerador sigue @cargado@ de calor.
El área del ciclo real es inferior al del teórico.
Rendimiento del motor Srling:
El motor Srling ene el potencial de alcan(ar el rendimiento de arnot, lo cual le permite, te0ricamente, alcan(ar el l'mite m!#imo de rendimiento, "ue es a lo m!#imo "ue puede llega r un motor térmico.
η= 1 −
T f T c
l rendimiento de un motor térmico es la relación existente entre el trabajo producido y el calor absorbido.
η=
W Qc
l calor absorbido es *c. l rendimiento térmico del ciclo será
/rocederemos a anali(ar cada etapa, hallaremos en F $ el calor en cada una de ellas
;atos a uli(ar !"#!$% !&#!' ( "#(&% ($#('
/
Etapa ')$: /roceso isotérmico temperatura constante9.alentamiento
∂ U =∂ Q +∂ W ∂ Q =−∂ W
Q=nRT c ln
W = nRT c ln
/
( ) V 4 V 3
( ) V 4 V 3
Etapa $)": /roceso isoc0rico volumen constante9.
∂ U =∂ Q +∂ W ∂ W = nRT ln
( ) V 4 V
3
Q = Cv ( T 1 − T 4 )
W = 0
/
Etapa ")&: /roceso isotérmico temperatura constante9.Enfriamiento
∂ U =∂ Q +∂ W ∂ Q =−∂ W
∂ Q =−(−∂ W )=∂ W
∂ Q =nRT f ln
( ) V 2 V 1
∂ Q =−nRT f ln
W =−nRT f ln
/
( ) V 4 V 3
( ) V 4 V 3
Etapa &)': /roceso isoc0rico volumen constante9.
∂ U =∂ Q +∂ W
∂ W = nRT ln
( ) V 4 V
3
∂ Q =−Cv ( T 1−T 4 )
∂ Q =Cv ( T −T ) 4
∂ W =0
1
/
?allando el traba4o neto *neto
W neto =nRT c ln
( ) V 4 V 3
W neto =nRT c ln
/
−nRT f ln
( ) V 4 V 3
V 3
−nRT f ln
+0+0
( ) V 4 V 3
?allando el calor suministrado
Qc =nRT c ln
( ) V 4 V 3
+Cv ( T 1−T 4 )+ Cv ( T 4 −T 1 )
Qc =nRT c ln
/
( ) V 4
( ) V 4 V 3
Reempla(ando
η=
nRT c ln η=
( ) V 4 V 3
W Qc
− nRT f ln
nRT c ln
( ) V 4 V 3
( ) V 4 V 3
η=1 −
T f T c
+plicaciones: #nicialmente muy com0n, esa tecnología murió con el invento de los motores 1tto y 2iesel, hasta renacer al inicio del siglo 33 impulsado por la compa$ía hilips en 4olanda. 'a segunda guerra mundial puso fin a una serie de nuevos desarrollos y solo hace )5 a$os volvieron a iniciar nuevas iniciativas y desarrollos. 4oy en día se utili%a motores Stirling para generar calor, para impulsar submarinos y próximamente como motores en automóviles híbridos. Sus aplicaciones son muchas. xisten peque$os motores capaces de funcionar con la temperatura de la palma de la mano y se han construido prototipos para cora%ones artificiales implantables. 'as más cercanas al ciudadano son Conversión de la energía solar en eléctrica y la cogeneración, o sea, la producción simultánea de energía eléctrica y energía térmica.
ara convertir la energía solar en energía eléctrica, se utili%an espejos concentradores o parabólicos parecidos a cuencos o platos !de ahí, el nombre de dish/stirling". n ellos, se reflejan los rayos del sol, que van a parar a un punto llamado foco del concentrador. 6racias a estos sistemas, se logran unos rendimientos solar/eléctricos del 789, el doble que si utili%ásemos el sistema convencional de paneles fotovoltaicos.
:unque, de momento, no es una tecnología competitiva desde el punto de vista económico, ofrece una gran ventaja la generación de energía distribuida. 1 sea, podrían construirse minicentrales dish/Stirling adecuadas al tama$o de un pueblo o un distrito. 2e este modo, la generación de electricidad estaría más cerca del punto de consumo y se reducirían las pérdidas ocasionadas en el transporte y la distribución de electricidad. 1tra de las aplicaciones del motor de ciclo Stirling es la cogeneración, la producción simultánea de energía eléctrica y térmica. ;<ómo se consigue= l motor mueve un generador para producir electricidad y entrega simultáneamente agua de refrigeración que, a una temperatura de unos >8 grados centígrados, puede ser aprovechada como energía térmica.
n España, en la Plataforma Solar de Almería, se ha construido equipos !conocidos como 2istal y uro2#S4" formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran el sol hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento.
Submarinos , el motor stirling es la base de la propulsión de algunos motores pues permite recargar las baterías a altas profundidades, al contrario que el motor diesel, que exige subir a altura de periscopio para reali%ar esta operación.
En aparatos de alta tecnolog'a ene ulidad. La marina sueca ha instalado motores Srling en varios de sus submarinos. GaHasaIi reali(a invesgaciones sobre este tema para la marina 4aponés. %tro campo abierto es la generaci0n de energ'a cerca del punto de consumo, es decir, podr'an producirse minicentrales adecuadas a un pueblo o distrito. ;e este modo la generaci0n de electricidad se adaptar'a al consumo de la (ona $ se evitar'an las pérdidas ocasionadas como consecuencia del transporte $ redes de distribuci0n en largas distancias.
ates , existe un tipo especifico de motor stirling que es especialmente dise$ado para yates. !nfriadoras , una de las características del motor stirling es que es un ingenio reversible, es decir, se puede usar como motor aplicándole calor en forma que genere movimiento, o puede ser usado como maquina, consiguiendo producir frió y calor cuando se le aplica movimiento mecánico mediante un motor exterior. Si se dise$a de
manera correcta este motor, puede alcan%ar temperaturas de / , y se usan en aparatos de alta tecnología
ο
10
K
l motor Stirling es excelente para aplicaciones de refrigeración, de hecho es una de la máquinas que permite alcan%ar temperaturas criogénicas.
!e,-culos, los veh'culos h'bridos son se*alados por muchas voces ho$ en d'a
como los medios de transporte "ue ocuparemos a mediano pla(o en especial en las grandes ciudades. Esto principalmente debido a las ba4as emisiones de contaminantes $ a la elevada econom'a de combusble "ue se obene con esta tecnolog'a. Los .E! h$brid electric vehicle9 son autos provistos de un motor de combus0n $ otro eléctrico, $ se pueden clasicar en dos categor'as en serie $ en paralelo. o
.E! en serie: El motor de combus0n es ocupado como un generador de
electricidad para mover el motor eléctrico, "ue es el "ue nalmente provee la potencia para propulsar el veh'culo. Este sistema se uli(a intercalando una bater'a entre los dos motores, de manera de ocupar el motor de combus0n en recargarla cuando sea necesario, e#isendo
también la posibilidad de hacer esto &lmo enchuf!ndola a alguna fuente como la casa del propietario del veh'culo9.
La energía proveniente del combusble mueve el motor de explosión. Este entrega energía para almacenarla en la batería. Desde ésta, la energía viaja a un motor eléctrico encargado de mover las ruedas. o
.E! en paralelo: >anto el motor de combus0n como el eléctrico proveen
la potencia para la propulsi0n del veh'culo. 2s', si el veh'culo se encuentra en ciudad, puede funcionar accionado solamente por el motor eléctrico sin emir contaminantes9, $ uli(ar como apo$o el motor de combus0n cuando se re"uiera una potencia elevada, como al reali(ar un adelantamiento o hacer un via4e cargado.
La energía del combusble mueve el motor de combusón. La potencia para mover las ruedas viene de dos fuentes el motor de combusón a través de la transmisión !"o el motor eléctrico #con su disposivo para almacenar energía$
!entajas:
Su elevado rendimiento, $a "ue el motor Srling puede potencialmente alcan(ar el rendimiento ideal de arnot.
/osee una ba4a candad de elementos m0viles, sobre todo en comparaci0n con los motores de combus0n interna, lo "ue permite pérdidas de rendimiento por fricci0n mu$ ba4as. El hecho "ue el ciclo en la realidad sea cerrado hace "ue potencialmente se puedan obtener niveles mu$ ba4os de emisiones. ;ado "ue es un motor de combus0n e#terna el proceso de combus0n se puede controlar mu$ bien, con lo "ue se reducen las emisiones. omo intercambia calor con el e#terior, se pueden uli(ar una gran candad de fuentes de calor, como por e4emplo energ'a nuclear, energ'a solar $ combusbles f0siles, entre otras. El ba4o nivel de ruido $ la ausencia de vibraciones con "ue opera.
/es0entajas:
Ja4a densidad de potencia debido a la combus0n e#terna, lo "ue condiciona su tama*o. ;icultad en la construcci0n del motor para sellar el 3uido de traba4o durante toda la vida &l, lo "ue eleva su costo. alta de e#periencia en la construcci0n de este po de motores en el rubro automotri(. omo el 3uido de traba4o es gaseoso, esto acarrea dicultades operavas, con lo "ue los 3uidos realmente viables debido a sus buenas propiedades termodin!micas son el helio $ el hidr0geno. Lento empo de respuesta. Se re"uieren grandes supercies de intercambios de calor, lo "ue hace aumentar desmesuradamente su tama*o en comparaci0n con los motores de combus0n interna. Largo empo de encendido $ apagado del motor.
1aler-a de 2otos del 3otor Srling: 2"u' van una serie de fotos de motores Srling, desde los mas anguos hasta los mas nuevos.
2hora veamos un motor srling en uso actual, $ por nes educavos de direfentes acercamientos
Conclusiones:
Es un motor de combus0n e#terna.
El principio de funcionamiento es el traba4o hecho por la e#pansi0n $ contracci0n de un gas. Su ciclo de trabajo se conforma mediante ) transformaciones isocóricas !calentamiento y enfriamiento a volumen constante" y dos isotermas !compresión y expansión a temperatura constante"
El regenerador ene la funci0n de recuperar parte de la energ'a "ue se cede en uno de los procesos is0coro donde se enfr'a el gas de traba4o para aportarlo de nuevo en el proceso is0coro restante. Si no e#iste regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es inferior. El motor Srling es el &nico capa( de apro#imarse te0ricamente lo alcan(a9 al rendimiento m!#imo te0rico conocido como rendimiento de arnot.
