Ciclo de Carnot en el Diagrama PV

El Ciclo de Carnot se representa en un diagrama de presión y volumen (PV) y consta de las siguientes fases:

• Etapa A) Expansión isotérmica: Es un proceso isotermo y, por ser un gas perfecto, la temperatura se mantiene constante. El gas se encuentra en un estado de equilibrio inicial representado por p1, V1, T1 en el interior del cilindro. Se produce una expansión isotérmica entre los puntos 1 y 2, hasta alcanzar los valores p2, V2, T1. El sistema realiza un trabajo W1 positivo (al aumentar el volumen, es un trabajo hecho por el sistema), comunicando energía al entorno. Por otro lado, como la variación de energía interna ha de ser cero, toma un calor del entorno equivalente Q1.
• Etapa B) Expansión adiabática: Se parte del punto 2 y se llega al estado 3. Por ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor. El gas debe realizar un trabajo elevando el émbolo, para lo cual el cilindro debe estar aislado térmicamente, alcanzándose los valores p3, V3, T2.
• Etapa C) Compresión isotérmica: Se produce entre los estados 3 y 4, hasta alcanzar los valores p4, V4, T2, siendo el trabajo realizado por el pistón. En este caso, es un trabajo de compresión (negativo); se recibe energía del entorno en forma de trabajo y se cede una energía equivalente en forma de calor.
• Etapa D) Compresión adiabática: Se realiza entre los estados 4 y 1, cerrándose el ciclo. Se alcanzan de nuevo los valores p1, V1, T1 sin transferencia de calor con el exterior.

Consideramos ahora el efecto global del ciclo: El trabajo neto W realizado durante el ciclo por el sistema será el representado por la superficie encerrada en el trayecto 1-2-3-4-1. La cantidad neta de energía calorífica recibida por el sistema será la diferencia entre Q2 y Q1.

Diferencias entre Máquina Frigorífica y Bomba de Calor

3. Explica cuál es la diferencia fundamental entre una máquina frigorífica y una bomba de calor.

La diferencia fundamental entre una máquina frigorífica y una bomba de calor radica en su finalidad y en lo que se considera como energía útil. Ambas se basan en la extracción de calor de un foco y la cesión de este a otro foco. La distinción principal es:

• En la máquina frigorífica, la energía útil es el calor extraído en el foco frío.
• En la bomba de calor, la energía útil es el calor cedido al foco caliente.

4. Dibuja el esquema de funcionamiento de una máquina frigorífica. Señala las partes más importantes y explica el funcionamiento de dicha máquina, señalando la función de cada uno de los elementos.

Las máquinas más extendidas son las llamadas de compresión y están constituidas por cuatro elementos básicos: el compresor, el condensador, el sistema de expansión y el evaporador.

El fluido frigorígeno circula en circuito cerrado por el sistema y sufre una serie de transformaciones:

1. En primer lugar, es comprimido en el compresor. Para que esto ocurra, es necesario aportar una cierta cantidad de energía, W.
2. A continuación, es licuado por enfriamiento en el condensador. Este cambio de estado supone una cesión de calor Q1 al medio.
3. Después, es sometido a un proceso de expansión en la válvula de expansión. De este modo, el fluido disminuye su presión.
4. Al llegar al evaporador, el fluido se evapora. Para efectuar este nuevo cambio de estado, ha de tomar una cantidad de calor Q2, con lo que se produce el enfriamiento del medio.

Tras la evaporación, el fluido recupera las condiciones iniciales, por lo que pasa de nuevo al compresor para iniciar un nuevo ciclo.

Diagrama PV en Motor Otto

El ciclo del motor de gasolina o motor Otto se compone de las siguientes fases:

• Admisión (E-A): El pistón desciende desde el PMS (Punto Muerto Superior) arrastrado por el cigüeñal. Se produce una depresión en el cilindro que provoca que este se llene de mezcla de aire y combustible a través de la válvula de admisión, que permanece abierta. Al llegar al PMI (Punto Muerto Inferior), se cierra la válvula de admisión (1ª media vuelta).
• Compresión (A-B): El pistón asciende desde el PMI al PMS, arrastrado por el cigüeñal. Durante esta fase, las válvulas permanecen cerradas y la mezcla se comprime en la cámara de combustión (2ª media vuelta).
• Explosión (B-C-D): Salta la chispa que provoca la combustión de la mezcla. Con las dos válvulas cerradas, la combustión desplaza al pistón hacia el PMI. Esta es la fase de trabajo útil. Al llegar el pistón al PMI, se abre la válvula de escape (3ª media vuelta).
• Escape (D-A-E): El pistón va desde el PMI al PMS arrastrado por el cigüeñal y empuja a los gases, obligándoles a salir por la válvula de escape. Al llegar al PMS, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, comenzando de nuevo el ciclo (4ª media vuelta).

Diagrama PV en Motor Diésel

El ciclo de funcionamiento de un motor diésel consta de las siguientes etapas:

• Admisión (E-A): El pistón desciende desde el PMS al PMI arrastrado por el movimiento del cigüeñal. Esto provoca una depresión en el interior del cilindro que permite que se llene de aire a través de la válvula de admisión, que permanece abierta. Cuando el pistón llega al PMI, se cierra la válvula de admisión (1ª media vuelta).
• Compresión (A-B): El pistón asciende desde el PMI al PMS arrastrado por el cigüeñal. Las dos válvulas permanecen cerradas y el aire se comprime a una elevada presión, adquiriendo una elevada temperatura. Estas son las condiciones óptimas para inyectar el combustible (2ª media vuelta o 1ª vuelta completa).
• Combustión (B-C-D): Cuando el pistón se encuentra en el PMS en condiciones óptimas de presión y temperatura, se inyecta el combustible finamente pulverizado en la cámara de combustión. Al contacto con el aire caliente, el combustible se autoinflama y se produce la combustión. Las válvulas siguen cerradas y el pistón es obligado a desplazarse bruscamente hacia el PMI por efecto de la presión ejercida por los productos de la combustión, arrastrando al cigüeñal y produciendo trabajo útil (3ª media vuelta).
• Escape (D-A-E): En esta fase, el pistón se desplaza desde el PMI al PMS, arrastrado por el movimiento del cigüeñal. La válvula de escape se abre y permite la salida de los gases quemados. Al llegar al PMS, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, comenzando un nuevo ciclo (4ª media vuelta o 2ª vuelta completa).