CICLOS TERMODINAMICOSSe denomina proceso termodinamico a la evolucion de determinadas magni- tudes (o propiedades) propiamente termodinamicas relativas a un determinado sistema fisico. Desde el punto de vista de la termodinamica, estas transformacio- nes deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variacion al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinamicos pueden ser interpretados como el resultado de la inter- accion de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio entre si. Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinamico, o transformacion termodinamica, cuando al menos una de las coordenadas termodinamicas no cam- bia. Conocer el proceso significa conocer no solo los estados final e inicial sino las interacciones experimentadas por el sistema mientras esta en comunicacion con su medio o entorno. En muchos procesos es comun observar que una propiedad permanece cons- tante, y para indicar esto se usa el prefijo iso. A continuacion se presentan algunos nombres de procesos iso en los que el sistema cambia de estado: Procesos isotermicos: son procesos en los que la temperatura no cambia. Procesos isobaricos: son procesos en los cuales la presion no varia. Procesos isocoricos o isometricos: son procesos en los que el volumen per- manece constante. Procesos isentalpicos: son procesos en los que la entalpia es constante. Procesos isentropicos: son procesos en los que la entropia es constante. En general los procesos dependiendo de sus caracteristicas, trayectoria, o del comportamiento de las propiedades de la sustancia involucrada se pueden clasificar en procesos desarrollados con una propiedad constante y en procesos con carac- teristicas especiales. El primer grupo abarca los procesos iso, y el segundo grupo enmarca los procesos adiabaticos (Sin transferencia de calor a los alrededores) y politropicos (donde ninguna propiedad permanece constante).

En funcion de como se realice el cambio de estado se habla de: Proceso reversible: los cambios en las funciones de estado son infinitesimales. El sistema esta practicamente en equilibrio durante todo el proceso, lo que implica un tiempo, para su realizacion, infinito. Se conoce el valor de las propiedades termodinamicas en cada punto de la trayectoria. Proceso irreversible: el sistema solo esta en equilibrio en el estado inicial y en el final. No se puede conocer el valor de las funciones de estado en los puntos intermedios de la trayectoria. Trayectoria La trayectoria o ruta del proceso es la historia o la sucesion de estados que ha seguido o recorrido el sistema desde el estado inicial hasta el estado final. Ciclo Se denomina ciclo termodinamico a cualquier serie de procesos termodinamicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir, que la variacion de las magnitudes termodinamicas propias del sistema sea nula. Maquinas termicas Un hecho caracteristico de los ciclos termodinamicos es que la primera ley de la termodinamica 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. Los ciclos de potencia o dispositivos ciclicos generadores de potencia revisten de gran importancia en el estudio de la termodinamica ya que varios sistemas y maquinas se basan en su funcionamiento. Los modernos motores automotrices, camiones, barcos, turbinas de gas son ejemplo de aplicaciones extremadamente utiles de estos procesos. La obtencion de trabajo a partir de dos fuentes termicas a distinta tempera- tura se emplea para producir movimiento, por ejemplo en los motores o en los alternadores empleados en la generacion de energia electrica. El rendimiento es el principal parametro que caracteriza a un ciclo termodinamico, y se define como el trabajo obtenido dividido por el calor gastado en el proceso, en un mismo tiempo de ciclo completo si el proceso es continuo. Este parametro es diferente segun los multiples tipos de ciclos termodinamicos que existen, pero esta limitado por el factor o rendimiento del Ciclo de Carnot. El ciclo termodinamico realizado en una maquina termica consta de varios procesos, en los que se intercambia energia termica o energia mecanica o ambos a la vez. En el caso de una maquina termica motora, los procesos en los que se intercambia energia termica son: a) De absorcion de calor de un foco externo a temperatura elevada denominado foco caliente. b) De cesion de calor a un foco externo a temperatura mas baja denominado foco frio. Refrigeradores La refrigeracion es el proceso de reduccion y mantenimiento de la temperatura (a un valor menor a la del medio ambiente) de un objeto o espacio. La reduccion de temperatura se realiza extrayendo energia del cuerpo, generalmente reduciendo su energia termica, lo que contribuye a reducir la temperatura de este cuerpo. La refrigeracion implica transferir la energia del cuerpo que pretendemos enfriar a otro, aprovechando sus propiedades termodinamicas. La temperatura es el reflejo de la cantidad o nivel de energia que posee el cuerpo, ya que el frio pro- piamente no existe, los cuerpos solo tienen mas o menos energia termica. De esta manera enfriar corresponde a retirar energia calorifica. Bombas de calor Un ciclo termodinamico inverso busca lo contrario al ciclo termodinamico de obtencion de trabajo. En una bomba de calor se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir que la trasferencia de calor se produzca de la fuente mas caliente a la mas fria, al reves de como sucederia naturalmente. Ciclo de Carnot El ciclo de Carnot es un ciclo termodinamico ideal reversible entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es el maximo posible. Fue estudiado por Sadi Carnot en su trabajo Reflections sur la puissance motrice de feu et sur les machines propres a developper cette puissance, de 1824. Una maquina termica que realiza este ciclo se denomina maquina de Carnot. 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:n = W/ Q1 = (Q1-Q2)/Q1 = 1 Q2/Q1

Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la maquina absorbe calor de la fuente fria y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la maquina. Si el objetivo de esta maquina es extraer calor de la fuente fria se denomina maquina frigorifica, y si es aportar calor a la fuente caliente bomba de calor. El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos y dos adia- baticos:

Expansion isotermica. Se parte de una situacion en que el gas ocupa el volumen minimo Vmin a la temperatura T2 y a presin alta. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T2, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y mantiene su temperatura constante. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el piston. Dado que la temperatura permanece constante durante esta parte del ciclo, el gas no cambia su energia interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo: dQ1 = dW1 > 0 dU1 =0

Expansion adiabatica. La expansion isotermica termina en un punto tal que el resto de la expansion pueda realizarse sin intercambio de calor. Esta expansion adiabatica hace que el gas se enfrie hasta alcanzar exactamente la temperatura T1 e n el momento en que el piston alcanza el punto maximo de su carrera y el gas alcanza su volumen maximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energia interna:

dQ2=0 dU2= dW2>0Compresion isotermica. Se pone en contacto con el cilindro la fuente de calor de temperatura T1 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fria. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas pero, como la temperatura permanece constante, la energia interna no cambia y el trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1:dQ3=dW3