Product Design, Manufacturing & Innovation Resources

Hogar » Ciclo Stirling

Ciclo Stirling

1816-11-16

Robert Stirling

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

El ciclo Stirling ideal es un ciclo regenerativo cerrado. termodinámica ciclo que comprende cuatro procesos distintos: expansión isotérmica, eliminación de calor isocórica, compresión isotérmica y adición de calor isocórica. El fluido de trabajo está contenido permanentemente. Su eficiencia térmica teórica es igual a la eficiencia del ciclo de Carnot, dada por [latex]eta_{th} = 1 – frac{T_C}{T_H}[/latex], donde [latex]T_H[/latex] y [latex]T_C[/latex] son las temperaturas absolutas de los depósitos caliente y frío.

The Stirling cycle’s four processes can be visualized on a Pressure-Volume (P-V) diagram. Process 1-2 is isothermal expansion, where the gas expands at a constant high temperature [latex]T_H[/latex], absorbing heat from the external source and performing work on the surroundings. Process 2-3 is isochoric (constant volume) heat removal, where the gas is passed through the regenerator, cooling to the low temperature [latex]T_C[/latex] and transferring heat to the regenerator matrix. Process 3-4 is isothermal compression, where the gas is compressed at constant temperature [latex]T_C[/latex], rejecting heat to the cold sink while work is done on the gas. Finally, process 4-1 is isochoric heat addition, where the gas passes back through the regenerator, picking up the stored heat and returning to temperature [latex]T_H[/latex].

El regenerador es fundamental para la alta eficiencia del ciclo ideal. Al almacenar y devolver calor durante las etapas isocóricas, garantiza que todo el intercambio de calor externo ocurra únicamente durante los procesos isotérmicos, al igual que en el ciclo de Carnot. Esto permite que el ciclo Stirling alcance teóricamente la máxima eficiencia posible para cualquier motor térmico que opere entre dos temperaturas dadas. En la práctica, los motores Stirling reales se desvían de este ideal. Los procesos no son perfectamente isotérmicos ni isocóricos debido a las tasas finitas de transferencia de calor y al movimiento continuo del pistón, lo que da lugar a curvas redondeadas en el diagrama PV y a una menor eficiencia.

Diseño para la sostenibilidad, Eficiencia, Energía, Tratamiento térmico, Ingeniería Mecánica, Optimización de procesos, Energía renovable, Sostenibilidad, Termodinámica

UNESCO Nomenclature: 2212

- Termodinámica

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

Teoría de Sadi Carnot sobre el ciclo ideal de la máquina térmica (1824)
El desarrollo de la Ley de los Gases Ideales a partir del trabajo de Boyle, Charles y Gay-Lussac
Conceptos tempranos de termodinámica y conservación de energía
Invención del mecanismo de pistón y cilindro

Aplicaciones

crioenfriadores para electrónica e imágenes médicas
Generación de energía solar en sistemas de disco Stirling
microunidades de cogeneración (MCHP)
sistemas de recuperación de calor residual de procesos industriales
Fuentes de energía silenciosas para submarinos y yates
Generadores de energía alimentados con biomasa en zonas remotas

Patentes:

GB 4081 of 1816

Ideas para posibles innovaciones

Debido al bloqueo del tráfico generado por bots, que actualmente supera los 40.000 al día, este contenido está reservado para los miembros de la comunidad.
> Iniciar sesión < o > Registrarse < (100% gratis) para acceder a esto, al igual que a todo el demás contenido y herramientas restringidos.

Relacionado con: ciclo Stirling, termodinámica, isotérmico, isocórico, ciclo regenerativo, máquina térmica, eficiencia de Carnot, ciclo cerrado, fluido de trabajo, eficiencia térmica.

Contexto histórico

Aparato de vidrio que demuestra la Ley de Charles en un entorno de laboratorio clásico.

Ley de Charles (Ley Vol-Temp)

También conocida como Ley del volumen-temperatura o ley de los volúmenes, la Ley de Charles establece que para una masa fija de un gas ideal a presión constante, el volumen que ocupa es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Esto se expresa como [latex]V \propto T[/latex] o [latex]\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}[/latex]. Explica la tendencia de los gases a expandirse cuando se calientan en condiciones isobáricas (presión constante).

Laboratorio del siglo XIX con científicos que estudian la estructura atómica y las reacciones químicas.

Teoría atómica moderna

La teoría atómica postula que toda la materia está compuesta de unidades discretas llamadas átomos. Un elemento está formado por átomos con un número específico de protones en su núcleo. Si bien antes se consideraban indivisibles, ahora se sabe que los átomos están compuestos por partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones. Las reacciones químicas implican la reorganización de estos átomos, que se conservan durante el proceso.

Ley de Avogadro

La ley de Avogadro establece que volúmenes iguales de todos los gases, a la misma temperatura y presión, contienen el mismo número de moléculas. Esto establece una proporcionalidad directa entre el volumen de un gas y la cantidad de sustancia (número de moles). La relación matemática se expresa como [latex]V \propto n[/latex] o, más comúnmente, como [latex]V/n = k[/latex], donde k es una constante.

Ciclo Stirling

Supuesto del Continuo

El supuesto del continuo considera los fluidos como materia continua en lugar de moléculas discretas. Esta simplificación es válida cuando la escala de longitud del problema es mucho mayor que la distancia intermolecular, lo que permite definir propiedades como la densidad y la velocidad en puntos infinitesimales. Esto posibilita el uso de ecuaciones diferenciales para describir el comportamiento macroscópico del flujo de fluidos.

Momento dipolar magnético

El momento magnético de un imán es una cantidad vectorial que caracteriza sus propiedades magnéticas generales. Puede visualizarse como un dipolo magnético, un hipotético par de polos norte y sur separados por una distancia. El momento apunta del polo sur al polo norte. Para un bucle de corriente, el momento magnético [latex]\vec{\mu} = I \vec{A}[/latex], donde I es la corriente y A es el vector área.

Efecto Seebeck

El efecto Seebeck es la conversión directa de una diferencia de temperatura en una tensión eléctrica. Cuando se aplica un gradiente de temperatura a través de la unión de dos conductores o semiconductores distintos, se produce una tensión. Esta tensión es proporcional a la diferencia de temperatura, con la constante de proporcionalidad conocida como coeficiente Seebeck ([latex]V = S cdot Delta T[/latex]).

1802

1808

1811

1816-11-16

1820

1821

1802

1810

1816

1816-11-16

1820

1822

Olla a presión y lata de aerosol que ilustran la Ley de Gay-Lussac en termodinámica.

Ley de Gay-Lussac (Ley de Presión-Temperatura)

También conocida como ley de Amontons, este principio establece que para una masa fija de un gas ideal a volumen constante, su presión es directamente proporcional a su temperatura absoluta. La relación se expresa matemáticamente como [latex]P \propto T[/latex] o como comparación entre dos estados, [latex]\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}[/latex]. Esto describe el comportamiento del gas en condiciones isocóricas (volumen constante).

Aparato de mezcla de gases en un laboratorio antiguo para aplicaciones de termodinámica.

Ley de presiones parciales de Dalton

La ley de Dalton establece que en una mezcla de gases que no reaccionan, la presión total ejercida es igual a la suma de las presiones parciales de los gases individuales. La presión parcial de un gas es la presión que ejercería si ocupara él solo todo el volumen a la misma temperatura. La fórmula es [latex]P_{text{total}} = \sum_{i=1}^{n} p_i[/latex].

Polarización de electrodos en un experimento de pila voltaica que demuestra la formación de gas hidrógeno.

Limitación de la polarización de los electrodos

Una falla principal de la pila voltaica es la polarización de los electrodos. Durante su funcionamiento, el gas hidrógeno producido en el cátodo de cobre forma una capa aislante de burbujas en su superficie. Esta capa aumenta la resistencia interna de la batería y reduce la superficie disponible para la reacción. Como resultado, la tensión y la corriente de salida de la pila disminuyen significativamente poco después de su uso.

Velocidad del sonido en un gas perfecto

La velocidad del sonido ([latex]c[/latex]) en un gas perfecto viene determinada por sus propiedades termodinámicas, no sólo por su presión o densidad. La fórmula es [latex]c = \sqrt{\gamma R_s T}[/latex], donde [latex]\gamma[/latex] es la relación de capacidad calorífica ([latex]c_p/c_v[/latex]), [latex]R_s[/latex] es la constante específica del gas y [latex]T[/latex] es la temperatura absoluta. Por tanto, el sonido viaja más rápido en un gas más caliente.

Matriz regeneradora de un motor Stirling que demuestra el almacenamiento de energía térmica en termodinámica.

Regenerador y economizador de motor Stirling

El regenerador, o economizador, es la contribución más significativa de Robert Stirling y la clave de la alta eficiencia del motor. Se trata de un intercambiador de calor interno que almacena y libera temporalmente energía térmica durante el ciclo. A medida que el gas caliente se desplaza hacia el lado frío, deposita calor en la matriz del regenerador, que luego es absorbido por el gas frío en su viaje de regreso al lado caliente.

Máquina de ensayos de tracción que mide la tensión y la deformación en la física del estado sólido.

Stress and Strain

La tensión técnica ([latex]\sigma[/latex]) es la carga aplicada dividida por el área original de la sección transversal ([latex]A_0[/latex]), mientras que la deformación técnica ([latex]\epsilon[/latex]) es el cambio de longitud ([latex]\Delta L[/latex]) dividido por la longitud original ([latex]L_0[/latex]). Estas definiciones, [latex]\sigma = \frac{F}{A_0}[/latex] y [latex]\epsilon = \frac{\Delta L}{L_0}[/latex], son fundamentales para trazar curvas de tensión-deformación, pero suponen que las dimensiones de la probeta permanecen constantes durante el ensayo.

Electroimán en un laboratorio que demuestra los principios del electromagnetismo.

Electromagnetismo y electroimanes

Un electroimán es un tipo de imán cuyo campo magnético se produce mediante una corriente eléctrica. El campo desaparece al interrumpirse la corriente. Normalmente, consiste en un alambre enrollado en una bobina. La intensidad del campo magnético es proporcional a la corriente y al número de espiras de la bobina. Este principio fue descubierto por Hans Christian Ørsted.

Ecuaciones de Navier-Stokes

Las ecuaciones de Navier-Stokes son un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales no lineales que describen el movimiento de sustancias fluidas viscosas. Son un enunciado de la segunda ley de Newton, que equilibra los cambios de momento con los gradientes de presión, las fuerzas viscosas y las fuerzas externas. Para un fluido incompresible, la ecuación es [latex]\rho (\frac{\parcial \mathbf{v}}{\parcial t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f}[/latex].

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)