Introducción
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. Todas las relaciones termodinámicas importantes empleadas en ingeniería se derivan del primer y segundo principios de la termodinámica.
Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.
Representación de un sistema termodinámico en un diagrama P-V
Representado en un diagrama P-V (presión / volumen específico), un ciclo termodinámico adopta la forma de una curva cerrada. En este diagrama el volumen de un sistema es representado en abscisas y la presión en ordenadas de forma que como:
se tiene que el trabajo por cambio de volumen (o en general, si no se usa una rueda de paletas o procedimiento similar) es igual al area descrita entre la línea que representa el proceso y el eje de abcisas.
El sentido de avance , indicado por las puntas de flecha, nos indica si el incremento de volumen es positivo (hacia la derecha) o negativo (hacia la izquierda) y, como consecuencia, si el trabajo es positivo o negativo, respectivamente.
Por lo tanto, se puede concluir que el área encerrada por la curva que representa un ciclo termodinámico en este diagrama, indica el trabajo total realizado (en un ciclo completo) por el sistema, si éste avanza en sentido horario o, por el contrario, el trabajo total ejercido sobre el sistema si lo hace en sentido antihorario.
Obtención de trabajo
La obtención de trabajo a partir de dos fuentes térmicas a distinta temperatura se emplea para producir movimiento, por ejemplo en los motores o en los alternadores empleados en la generación de energía eléctrica. El rendimiento es el principal parámetro que caracteriza a un ciclo termodinámico, 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 parámetro es diferente según los múltiples tipos de ciclos termodinámicos que existen, pero está limitado por el factor o rendimiento del Ciclo de Carnot.
Aporte de trabajo
Un ciclo termodinámico inverso busca lo contrario al ciclo termodinámico de obtención de trabajo. Se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir que la trasferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la más caliente, al revés de como sucedería naturalmente. Esta disposición se emplea en las máquinas de aire acondicionado y en refrigeración.