Segundo principio de la termodinmicaElsegundo principio de la termodinmicaosegunda ley de la termodinmica, Notaexpresa que:La cantidad deentropadeluniversotiende a incrementarse en eltiempo.Nota 2Es una de las leyes ms importantes de lafsica; an pudindose formular de muchas maneras todas llevan a la explicacin del concepto deirreversibilidady al deentropa. Este ltimo concepto, cuando es tratado por otras ramas de la fsica, sobre todo por lamecnica estadsticay lateora de la informacin, queda ligado al grado dedesordende la materia y la energa de un sistema. La termodinmica, por su parte, no ofrece una explicacin fsica de la entropa, que queda asociada a la cantidad de energa no utilizable de un sistema. Sin embargo, esta interpretacin meramente fenomenolgica de la entropa es totalmente consistente con sus interpretaciones estadsticas. As, tendr ms entropa el agua en estado gaseoso con sus molculas dispersas y alejadas unas de las otras que la misma en estado lquido con sus molculas ms juntas y ms ordenadas.El segundo principio de la termodinmica dictamina que si bien la materia y la energa no se pueden crear ni destruir, s que se transforman, y establece el sentido en el que se produce dicha transformacin. Sin embargo, el punto capital del segundo principio es que, como ocurre con toda lateora termodinmica, se refiere nica y exclusivamente a estados deequilibrio. Toda definicin, corolario o concepto que de l se extraiga slo podr aplicarse a estados de equilibrio, por lo que, formalmente, parmetros tales como latemperaturao la propiaentropaquedarn definidos nicamente para estados de equilibrio. As, segn el segundo principio, cuando se tiene un sistema que pasa de un estado de equilibrio A a otro B, la cantidad de entropa en el estado de equilibrio B ser la mxima posible, e inevitablemente mayor a la del estado de equilibrio A. Evidentemente, el sistema slo har trabajo cuando est en el trnsito del estado de equilibrio A al B y no cuando se encuentre en uno de estos estados. Sin embargo, si el sistema era cerrado, su energa y cantidad de materia no han podido variar; si la entropa debe de maximizarse en cada transicin de un estado de equilibrio a otro, y el desorden interno del sistema debe aumentar, se ve claramente un lmite natural: cada vez costar ms extraer la misma cantidad de trabajo, pues segn lamecnica estadsticael desorden equivalente debe aumentar exponencialmente.Aplicado este concepto a un fenmeno de la naturaleza como por ejemplo la vida de las estrellas, las mismas, al convertir elhidrgeno, su combustible principal, enheliogeneran luz y calor. Al fusionar los ncleos de hidrgeno en su interior la estrella libera la energa suficiente para producirlos a esa intensidad; sin embargo, cuando intenta fusionar los ncleos de Helio no consigue liberar la misma cantidad de energa que obtena cuando fusionaba los ncleos de hidrgeno. Cada vez que la estrella fusiona los ncleos de un elemento obtiene otro que le es ms intil para obtener energa y por ende la estrella muere, y en ese orden de ideas la materia que deja atrs ya no servir para generar otra estrella. Es as como el segundo principio de la termodinmica se ha utilizado para explicar el fin del universo.ndice

Unamquina trmicaes un dipositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie detransformaciones termodinmicasde forma cclica, para que la mquina pueda funcionar de forma continua. A travs de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de unfoco trmico) que transforma en trabajo.El desarrollo de la Termodinmica y ms en concreto del Segundo Principio vino motivado por la necesidad de aumentar la cantidad de trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido. De forma emprica, se llega as al primer enunciado del Segundo Principio:Enunciado de Kelvin-PlanckNo es posible ninguna transformacincclicaque transforme ntegramente el calor absorbido en trabajo.

Este enunciado implica que la cantidad de energa que no ha podido ser transformada en trabajo debe cederse en forma de calor a otro foco trmico, es decir, una mquina debe trabajar al menos entre dos focos trmicos. El esquema ms sencillo de funcionamiento es entonces el siguiente:

1. Absorbe una cantidad de calor Q1de un foco caliente a una temperatura T12. Produce una cantidad de trabajo W3. Cede una cantidad de calor Q2a un foco fro a una temperatura T2Como la mquina debe trabajar en ciclos, la variacin deenerga internaes nula. Aplicando elPrimer Principioel trabajo producido se puede expresar:

En general, se definePotencia(P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las mquinas corresponde entonces al trabajo producido en un segundo. En el S.I. de Unidades se mide en Watios (J/s)

Rendimiento ()El objetivo de una mquina es aumentar la relacin entre el trabajo producido y el calor absorbido; se define pues elrendimientocomo el cociente entre ambos. Si tenemos en cuenta la limitacin impuesta por enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor que el calor absorbido con lo que el rendimientosiempre ser menor que uno:

Habitualmente se expresa el rendimiento en porcentaje, multiplicando el valor anterior por cien. Para las mquinas ms comunes este rendimiento se encuentra en torno al 20%.Usando la expresin anterior del trabajo, el rendimiento se puede calcular tambin como:

Unrefrigeradores un dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un cuerpo a una cierta temperatura y cederlo a otro que se encuentra a una temperatura superior. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire u otras sustancias) que realiza una serie detransformaciones termodinmicasde forma cclica, para que pueda funcionar de forma continua, como sucede con lasmquinas trmicas.Como ya se ha comentado en laintroduccinel paso de calor de un cuerpo frio a otro caliente no se produce de forma espontnea. Se llega as a un nuevo enunciado del Segundo Principio:Enunciado de ClausiusNo es posible el paso de calor de un cuerpo fro a uno caliente sin el consumo de trabajo.

Se puede representar un refrigerador de forma esquemtica de la siguiente manera:

1. Absorbe una cantidad de calor Q2de un foco fro a una temperatura T22. Consume una cantidad de trabajo W3. Cede una cantidad de calor Q1a un foco caliente a una temperatura T1Como se ha comentado anteriormente, un refrigerador trabaja en ciclos, por lo que la variacin deenerga internaes nula. Teniendo en cuenta el criterio de signos, el calor cedido al foco caliente ser:

En este caso, lapotenciaes evidentemente una potencia consumida.Eficiencia ()Un refrigerador se optimizar reduciendo el trabajo consumido para la misma cantidad de calor extrada del foco fro. La eficiencia () de un refrigerador se define entonces como:

La limitacin impuesta por el enunciado de Clausius nos indica simplemente que la eficiencia debe ser menor que infinito, ya que el trabajo debe ser distinto de cero.

Pgina realizada porTeresa Martn BlasyAna Serrano FernDefinicin de entropa. Terorema de ClausiusEl concepto deentropanace de la necesidad de cuantificar el segundo principio. El segundo principio en su enunciado deKelvin - Planckpone una limitacin a cmo pueden funcionar las mquinas trmicas pero, como veremos, la entropa nos permitir cuantificar la irreversibilidad de diferentes procesos termodinmicos.Las expresiones del rendimiento de una mquina y del rendimiento de la mquina de Carnot son respectivamente:

Como el rendimiento de cualquier mquina trabajando entre dos focos trmicos es siempre menor o igual que el de la mquina de Carnot trabajando entre los mismos focos (teorema de Carnot), entre las dos ecuaciones anteriores puede establecerse:

Operando con la expresin anterior se llega a:

Siendo vlido el signo igual para un ciclo reversible y el menor para un ciclo irreversible.Vamos a utilizar la expresin anterior para definir la funcin entropa que, como se ver a continuacin, es unafuncin de estado. Para ello, supongamos que tenemos un ciclo (ABA) cualquiera recorrido reversiblemente como el representado en la siguiente figura:

Se puede demostrar que este ciclo puede ser recubierto porNciclos de Carnot (representados en rosa), de tal manera que para ellos se cumple (el ciclo ABA es reversible):

Como puede apreciarse en la figura, si el nmeroNde ciclos es muy pequeo, el recubrimiento del ciclo original ser malo. Cuanto mayor seaNmejor ser dicho recubrimiento. En el lmite en que N tiende a infinito, debemos sustituir el sumatorio de la expresin anterior por una integral:

Donde el subndiceRdenota que el calor que aparece en la ecuacin anteriorha de ser intercambiado reversiblemente. La funcinentropa(S) se define:

Y es unafuncin de estado, ya que su integral evaluada en una trayectoria cerrada es nula.En el Sistema Internacional, la unidad de entropa es el J/K.Si el ciclo de la figura hubiera sido recorrido irreversiblemente, habra que utilizar el signo menor en la discusin anterior, por lo que la forma final de la integral en un circuito cerrado es:

Expresin que se conoce comoteorema de Clausius.

Pgina realizada porTeresa Martn BlasyAna Serrano Fernndez- Universidad Politcnica de Madrid (UPM) - Espaa.Aplicacin a procesos reversibles de un gas idealA continuacin se calcula la variacin de entropa para las cuatrotransformaciones reversiblesms habituales que puede experimentar un gas ideal.Transformacin adiabticaUna transformacin adiabtica se caracteriza porque la sustancia de trabajo no intercambia calor, es decir:

Se cumple entonces que entre dos estados 1 y 2 unidos por una transformacin adiabtica reversible la entropa no vara; por ello estas transformaciones se denominan tambinisentrpicas.Transformacin isotermaTeniendo en cuenta que la temperatura es constante podemos sacarla fuera de la integral en el clculo de la variacin de entropa:

Esta expresin se utiliza para calcular la variacin de entropa de unfoco trmico(dispositivo capaz de absorber o ceder calor sin modificar su temperatura).Haciendo uso de la expresin que da elcalor intercambiado en una trasformacin isotermaexperimentada por un gas ideal:

Transformacin iscoraUnatransformacin iscoraes aquella en que el volumen permanece constante. Utilizando la expresin que da elcalor intercambiado en una trasformacin iscorase obtiene:

Transformacin isbaraPara calcular la variacin de entropa en unatransformacin isbarase sigue un procedimiento anlogo al anterior; la nica diferencia es que la capacidad calorfica para esta transformacin es la capacidad calorfica a presin constante de un gas ideal:

Como puede observarse, en las dos ltimas transformaciones un aumento de temperatura conlleva un aumento de entropa.

esde el punto de vista de la Termodinmica, eluniversoes el conjunto constituido por un sistema y sus alrededores. Es, por tanto,un sistema aislado(no hay nada fuera de l). De la misma manera en que se puede calcular la variacin de entropa de un sistema termodinmico entre dos estados, puede calcularse la variacin de entropa de sus alrededores (todo lo que ha interaccionado con nuestro sistema). La suma de ambas magnitudes se denominavariacin de entropa del universo.Como el universo es un sistema aislado, utilizando elteorema de Clausiusse tiene que, para el universo:

Donde el signo igual es aplicable para una transformacin reversible y el signo menor que cuando dicha transformacin es irreversible. A continuacin se analiza cada caso por separado.Transformacin irreversibleEn el siguiente diagrama p - V se ha representado un ciclo irreversible.

Est constituido por dos transformaciones: la AB (representada en verde en la figura), que es irreversible, y la BA (en rojo) que es reversible. Como el ciclo en su conjunto es irreversible, debemos aplicar el teorema de Clausius con el signo menor:

La integral de lnea que aparece en la ecuacin anterior puede ser descompuesta en la suma de las integrales evaluadas en cada etapa del ciclo, quedando:

Ya que la integral evaluada a lo largo del tramo reversible es precisamente la variacin de entropa entre los estados B y A. Por tanto,

Expresin conocida comodesigualdad de Clausius.El significado fsico de esta ecuacin es que la variacin de entropa entre dos estados cualesquiera ser siempre mayor que la integral del calor intercambiado irreversiblemente entre los dos estados partido por la temperatura.Como aplicacin de esta expresin, la variacin de entropa en laexpansin libre de Jouleha de ser mayor que cero (como efectivamente lo es) ya que el calor intercambiado en esta transformacin irreversible es cero.Como el universo es un sistema aislado, cuando en el universo se produce una transformacin cualquiera AB irreversible el calor intercambiado es cero, por lo que:

Es decir,la entropa del universo siempre crece para cualquier transformacin irreversible que se produzca.Transformacin reversibleCuando en el universo tiene lugar una transformacin reversible, debemos tomar el signo igual:

Agrupando ambos resultados:

Esta afirmacin constituye un nuevo enunciado del Segundo Principio:

La entropa es una funcin de estado que, evaluada para todo el universo, aumenta en una transformacin irreversible y permanece constante en una transformacin reversible.

Pgina realizada porTeresa Martn BlasyAna Serrano Fernndez- Universidad Politcnica de Madrid (UPM) - Espaa.A lo largo de este tema hemos visto varios enunciados y teoremas, introducidos de forma independiente, aunque como veremos todos son equivalentes y constituyen distintas maneras de enunciar el Segundo Principio de la Termodinmica. Estos enunciados son:1. Enunciado de Kelvin - Planck2. Enunciado de Clausius3. Teorema de Carnot4. Variacin de entropa del universo

Para establecer la equivalencia entre los enunciados, supondremos que uno de ellos no se cumple y comprobaremos que en ese caso otro de ellos deja de cumplirse.Equivalencia 1 - 2Imaginemos una mquina perfecta que viola el enunciado de Kelvin-Planck: transforma todo el calor absorbido en trabajo. Si se hicieran trabajar enlazados esta supuesta mquina con un refrigerador, de modo que el trabajo producido por sta se utilizara como trabajo consumido por el refrigerador, el resultado final sera un refrigerador perfecto: el calor extrado del foco fro pasara al foco caliente sin consumir trabajo, es decir, violara el enunciado de Clausius.

Equivalencia 1 - 3Supongamos una mquina de Carnot con un rendimiento del 40% se la hace trabajar de forma inversa, es decir, como un refrigerador. Si ste se enlaza con una supuesta mquina que no cumpla el Teorema de Carnot (con un rendimiento, por ejemplo, del 45%) el resultado sera una mquina que viola el enunciado de Kelvin-Planck, es decir, que transforma todo el calor absorbido en trabajo.

Equivalencia 1 - 4Se dispone ahora de una mquina que no cumple el enunciado de Kelvin - Planck. Calculamos la variacin de entropa del universo como la suma de la variacin de entropa de la mquina y la de los focos. Como la mquina trabaja en ciclos su variacin de entropa es nula (funcion de estado) y la del foco caliente se calcula teniendo en cuenta que intercambian calor de formaisoterma:

Es decir, no cumple que:

Es fcil comprobar de forma anloga que para un refrigerador que no cumpla el enunciado de Clausius tambin resulta una variacin de entropa del universo negativa.Mquinas trmicasUnamquina trmicaes un dispositivo que realiza un trabajo mediante un proceso de paso de energa desde un foco claiente hasta un foco frio.Las mquinas trmicas o motores trmicos aprovechan una fuente de energa para realizar un trabajo mecnico. La energa transferida como calor a la mquina no puede a su vez ser transferida integramente por esta como trabajo: una parte de la energa debe ser transferida como calor.por ello las mquinas trmicas constan de dos partes: Un foco caliente, que cede enrega a la mquina mediante calor. Un foco fro, que recibe energa de le mquina tambin mediante calor.

Mquina de vapor:

Fue la mquina trmica ms utilizada hasta el siglo XX.La energa obtenida al quemar el combustible (gas, petrleo, carbn...) se emplea en calentar agua hasta convertirla en vapor. Este vapor desplazaba el mbolo, realizando asi un trabajo.Se utilizaban mucho en las locomotoras de vapor para el ferrocarril, pero en la actualidad ya no se usan tanto.

Turbinas de vapor:

Las turbinas de vapor expulsan un chorro de vapor, calentando con la energa generada en la quema de un combustible, incide sobre las paletas de la rueda giratoria de la turbina realizando un trabajo macnico de rotacin.Se utiliza en las centrales termoelctricas para mover los generadores elctricos y en los barcos para accionar las hlices.

Motores de explosin:

Se utilizan en los automviles. Aprovechan la energa generada en la combustin de una mezcla de aire con gasolina para mover un pistn.El trabajo macnico del movimiento del pistn de aprovecha para el desplazamiento del vehculo.

Motor de reaccin:

Tambin llamado turbina de gas. Es una mquina trmica de mayor potencia que el motor de explosin.Los gases generados continuamente al quemar un combustible son expulsados hacia atrs por una tobera impulsando el vehculo hacia delante.Se utilizan en aviacin, para conseguir una mayor velocidad.

Barquito pop pop

Toda esta teora la podemos plasmar con una serie de experimentos basados en la energa de vapor. Por ejemplo, se puede realizar uno que trate de un barco de vapor. Como este...Parte 1Vdeo de YouTube

1. PRINCIPIOS DE MQUINAS- MQUINAS TRMICAS - TECNOLOGA INDUSTRIAL II 2 BACHILLERATO Luis Miguel GARCA GARCA-ROLDN Dpto. de Tecnologa IES CAP DE LLEVANT - MA Ma - 2009 Disposicin a dar importancia a los temas ambientales dentro del marco de un desarrollo sostenible. 2CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Descripcin de la bomba de calor. Uso y aplicacin prctica. Descripcin termodinmica del ciclo frigorfico. Representacin del ciclo frigorfico en diagrama T-S. Identificacin de los elementos fundamentales de un equipo frigorfico. Circuitos frigorfico: Principio de funcionamiento y elementos. Bomba de calor. Representacin grfica de las piezas ms caractersticas de un motor. Mquinas trmicas rotativas. Descripcin de diferentes tipos de turbinas. El ciclo de Rankine. Resolucin de problemas de clculo de potencia, trabajo de un ciclo, par motor, consumo de combustible, rendimiento trmico, etc., en los motores. Balance energtico de un motor. Interpretacin grfica del balance de energa de un motor. El consumo de combustible y el rendimiento del motor (trmico y mecnico). Curvas de par, potencia y consumo de combustible. Grficos y su anlisis. Clculos y datos en los motores: presin media efectiva, rpm, par motor, trabajo de un ciclo, cilindrada, potencia indicada, potencia de eje. Anlisis de los ciclos tericos y reales de los motores. Identificacin de las diferencias fundamentales entre los tipos de motores estudiados. Motores de ciclo de Otto y de ciclo diesel. Motores de 2 i 4 tiempos. Motores trmicos alternativos. Descripcin de las partes y del funcionamiento. Principios de termodinmica. Representacin grfica e interpretacin del Ciclo de Carnot. 2. Contenido Es la ley de conservacin de la energa aplicada al estudio de las mquinas trmicas. Si se realiza trabajo sobre un sistema o ste intercambia calor con otro la energa interna del sistema cambiar. Por tanto, el calor es la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energa interna. Eentra Esale = E MOTOR TRMICO Q = U + W (aumenta T motor y genera trabajo mecnico) MQUINA FRIGORFICA W = U + Q (aumenta T compresor y se extrae calor) 3CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO3. Primer principio de la TERMODINMICA (I) Sea cual sea el procedimiento usado para convertir el calor en trabajo o viceversa, hay una relacin constante entre el trabajo desarrollado y el calor consumido, siempre que el estado final del sistema sea igual al inicial. Esta relacin se denomina equivalente mecnico del calor y es igual a 427 Kgm/Kcal. 4CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO4. Primer principio de la TERMODINMICA (II) El calor no se puede transferir trabajo (E.til).(Enunciado de espontneamente de un Kelvin-Planck). cuerpo fro a otro ms caliente. 5CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO NO podr efectuar trabajo sin ciclos, absorba calor de una ceder calor al exterior que nica fuente (E.absorbida) y lo estar a menor T. convierta ntegramente en No existe ningn dispositivo externa con mayor T. que, operando por NO podr efectuar trabajo sin absorber calor de una fuente Tendr un rendimiento equilibrio trmico. energtico menor a la unidad. NO puede transformar calor en cuerpos de mayor temperatura trabajo sin aumentar la energa hacia los de menor termodinmica del ambiente. temperatura, hasta lograr un El flujo espontneo de calor MQUINA TRMICA CCLICA siempre es unidireccional, desde los 5. Segundo principio de la TERMODINMICA PROCESO TERMODINMICO REVERSIBLE En cada momento de la transformacin termodinmica las temperaturas y presiones estn en equilibrio. Una variacin muy pequea de estas determina el sentido de la transformacin. PROCESO ABIERTO A T , P B Ambas transformaciones AB y BA son reversibles PA , TA PB , TB y pasan por los mismos estados A PROCESO CERRADO T , P CICLO PA , TA 6CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO6. Ciclos termodinmicos (I) 7. Ciclos termodinmicos (II) TC > TF FOCO QC FOCO MOTOR TRMICO (TC) QF (TF) El calor pasa del foco caliente al fro. La diferencia de calor se emplea en producir trabajo W = Qc - QF TC > TF FOCO FOCO MQUINA QC QF FRIGORFICA (TC) (TF) El calor se extrae del foco W = Qc - QF fro y se manda al caliente. La diferencia de calor es el trabajo consumido Para que se produzca trabajo neto la mquina trmica debe funcionar entre 2 focos a temperaturas diferentes, de lo contrario no hay trnsito de calor 7CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO De acuerdo con el segundo principio de la termodinmica, el calor no se podr transformar ntegramente en trabajo. Por tanto, definiremos el RENDIMIENTO o EFICIENCIA TRMICA (t) como la relacin entre el trabajo realizado y la energa en forma de calor aportado por el cuerpo caliente EUTIL E APORTADA W QC QF QF t 1 QC QC QC 8CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO8. Eficiencia trmica 9. Ciclo de Carnot (I) TC > El motor cede calor a T inferior. (prdidas en calor en los gases de escape) QC QF QF t 1 QC QC 9CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO El calor realiza trabajo mecnico. (trabajo obtenido) Al motor se le suministra energa en forma de calor a T elevada. (calor proporcionado por el combustible) TF FOCO QC FOCO MOTOR TRMICO (TC) QF (TF) El calor pasa del foco caliente al fro. La diferencia de calor se emplea en producir trabajo W = Qc - QF Lgicamente, interesa que el intercambio de calor sea el menor posible (ceder el mnimo calor Q F posible) para transformar en trabajo la mayor cantidad de calor posible. Carnot (1824) parti de tres hechos incuestionables para definir el rendimiento mximo de un motor trmico (o mquina frigorfica): Se realiza trabajo exterior a costa del calor absorbido del foco caliente. Vb W1 Q1 R T1 ln Va 10CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERN Expansin isotrmica del gas del punto a al punto b a la temperatura T1=Ta=Tb Culata del cilindro: foco caliente T1. Tiempo 1 .- 10. Ciclo de Carnot (II) Suponemos un gas ideal que realiza un ciclo reversible en el interior de un cilindro de un motor trmico que funciona entre dos focos de calor, el caliente a temperatura T1 y el fro a temperatura T2. ATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO La ecuacin de estado para el gas es: 1 Tb Vc T1 Tc Vb T2 11CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO No se produce intercambio de calor con el exterior Expansin adiabtica del gas del punto b al punto c hasta alcanzar la temperatura T2=Tc=Td Culata del cilindro: material aislante. Tiempo 2 .- 11. Ciclo de Carnot (III) Se consume trabajo exterior al ceder calor al foco fro. Vc W2 Q2 R T2 ln Vd 12CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Compresin isotrmica del gas del punto c al punto d a la temperatura T2=Tc=Td Culata del cilindro: foco fro T2. Tiempo 3 .- 12. Ciclo de Carnot (IV) La ecuacin de estado para el gas es: 1 Ta Vd T1 Td Va T2 13CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO No se produce intercambio de calor con el exterior Compresin adiabtica del gas del punto d al punto a hasta alcanzar la temperatura T1=Ta=Tb Culata del cilindro: material aislante. Tiempo 4 .- 13. Ciclo de Carnot (V) 14. Ciclo de Carnot (VI) Al haberse completado un ciclo podemos comparar los tiempos 2 y 4 y deducir la relacin de volmenes: 1 1 T1 Vc Vd T2 Vb Va Vc Vd Vc Vb Vb Va Vd Va Vc R T2 ln Q2 Vd T2 c 1 1 1 Q1 1 Vb T1 R T1 ln Va El rendimiento del ciclo de Carnot (c) depende nicamente de las temperaturas de los focos fro y caliente (en grados Kelvin) y cuanto mayor sea la diferencia entre stas, mayor ser la eficiencia 14CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 15. Ciclo de Carnot (VII) Simulacin del ciclo de Carnot 15CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 16. Ciclo de Carnot (VIII) Se puede demostrar que cualquier motor trmico que funcione segn un ciclo reversible entre los mismos focos de calor tiene el mismo rendimiento. 16CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Halla el rendimiento de un ciclo de Carnot que trabaja entre 20C y 900C Tc 900 273 1173K TF 20 273 293K TF 293 c 1 1 0.75 75% Tc 1173 17CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO17. Ciclo de Carnot (IX) ___EJERCICIO___ En consecuencia, como el rendimiento no puede ser mayor que la unidad (una mquina no puede tener una eficiencia mayor a la terica de Carnot): Si t Definiremos el RENDIMIENTO o EFICIENCIA TRMICA SEGN EL SEGUNDO PRINCIPIO (s) como la relacin entre las eficiencias trmica real (t) y de Carnot (c) . Da idea de la eficiencia de la mquina respecto de la mxima terica, la de Carnot. s t c 18. Eficiencia trmica segn el segundo principio de la termodinmica (I) < c , la mquina es irreversible pero real Si t = c , la mquina es reversible y por ello imposible Si t > c , la mquina es totalmente imposible 18CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Una mquina trmica trabaja entre dos fuentes trmicas a 200C y 30C respectivamente. Si extrae una energa en forma de calor QC=300MJ de la fuente caliente y cede QF=200MJ a la fuente fra, calcula su eficiencia segn el segundo principio y el trabajo o energa perdidos en las irreversibilidades Tc 200 273 473 K TF 30 273 303 K Trabajo realizado W QC QF 300MJ 200MJ 100MJ W 100MJ t 0.33 33% Eficiencia trmica Q C 300MJ TF 303 c 1 1 0.36 36% Eficiencia Carnot Tc 473 19CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO19. Eficiencia trmica segn el segundo principio de la termodinmica (II) ___EJERCICIO___ Una mquina trmica trabaja entre dos fuentes trmicas a 200C y 30C respectivamente. Si extrae una energa en forma de calor QC=300MJ de la fuente caliente y cede QF=200MJ a la fuente fra, calcula su eficiencia segn el segundo principio y el trabajo o energa perdidos en las irreversibilidades t 0.33 s 0.92 92% Eficiencia segn el c 0.36 segundo principio Aunque la eficiencia trmica parezca baja, es una buena mquina ya que tiene una eficiencia respecto de la mxima del 92% y , por tanto, slo pierde el 8%. Esto quiere decir que si la mquina fuera reversible hara un trabajo de Wc 300MJ0.36 108MJ El trabajo de prdidas ser Wp Wc - W 108MJ - 100MJ 8MJ 20CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO20. Eficiencia trmica segn el segundo principio de la termodinmica (III) ___EJERCICIO___ En los procesos reversibles la entropa no vara y en los irreversibles aumenta ya que se pierde calor 21CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO En los sistemas adiabticos la variacin de la entropa es nula ya que no hay intercambio de energa en forma de calor con el exterior. Cuando el calor pasa de un sistema a otro de menor T, algo tiene que aumentar para contrarrestar el descenso de T; ya que la energa tiene que conservarse. Eso es la VARIACIN o FLUJO DE ENTROPA (S) Qi Q T1 S1 T2 S2 ... S [J/K] Ti 21. Entropa (I) A dnde va la energa en forma de calor que se Al ambiente desprende en el que envuelve Al Universo rozamiento, o al al sistema frotarnos las manos? El rea encerrada por la curva representa el trabajo realizado o el calor intercambiado entre los focos caliente y fro W Tc S1-2 Tf S3-4 Qc - Qf 22CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO En la mquina de Carnot, las expansiones o W compresiones isotrmicas son horizontales y las adiabticas verticales. 3 4 Para representar los ciclos en las mquinas trmicas se utilizan tambin diagramas TS 1 2 22. Entropa (II) Si el sistema es irreversible, la variacin total de entropa el trabajo perdido en las irreversibilidades ser: St Sc Sf W Tf St 23CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO En una mquina de Carnot, mquina reversible, la variacin de entropa es nula; no se vara la entropa del Universo. Toda la entropa que pierde la fuente caliente al ceder calor, la gana el Universo Qc S1-2 Tc St S1-2 S3-4 0 Qf ( S1- 2 S3- 4 ) S3-4 Tf 23. Entropa (III) Una mquina trmica real trabaja entre dos fuentes trmicas de 30C y 500C. En cada ciclo la mquina extrae 350MJ y cede 200MJ a la fuente fra. Determina la variacin total de entropa del Universo en cada ciclo y el trabajo perdido en las irreversibilidades Qh 350MJ Sc 0.45 MJ/K Th 273 500 Qf 200MJ Sf 0.66 MJ/K Tf 273 30 St Sc Sf 0.45MJ/K 0.66MJ/K 0.21 MJ/K 24CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO24. Entropa (IV) ___EJERCICIO___ Una mquina trmica real trabaja entre dos fuentes trmicas de 30C y 500C. En cada ciclo la mquina extrae 350MJ y cede 200MJ a la fuente fra. Determina la variacin total de entropa del Universo en cada ciclo y el trabajo perdido en las irrever25. Entropa (V) ___EJERCICIO___ sibilidades El resultado anterior indica que el Universo aumenta su entropa en 0.21MJ/K mientras que la mquina pierde la misma cantidad de entropa. Esto SIEMPRE PASA en los sistemas irreversibles W Tf St (273 30)K0.21 MJ/K 62.81MJ 25CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO MOTOR TRMICO es una mquina que tiene como misin transformar energa trmica en energa mecnica que sea directamente utilizable para producir trabajo Combustin de ENERGA CALORFICA sustancias COMBUSTIBLES MOTOR DE COMBUSTIN ENERGA MECNICA 26CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO26. Motor trmico 27CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICOTURBOHLICES de la caldera y conductos TURBINAS DE GAS DE CICLO ABIERTO El problema que presentan es que se pierde ms calor del que se genera en las paredes MOTORES DIESEL MOTORES DE EXPLOSIN TURBINAS DE VAPOR MQUINAS DE VAPOR 27. Motor trmico: clasificacin (I) MOTOR TRMICO DE COMBUSTIN MOTOR DE COMBUSTIN MOTOR DE COMBUSTIN EXTERNA INTERNA El calor desprendido al quemarse el La combustin se produce en una cmara combustible es transmitido a un fluido interna del propio motor y son los gases intermedio, el cual produce energa mecnica generados los que causan directamente, por a travs de una mquina alternativa o rotativa expansin, el movimiento de los mecanismos del motor 28. Motor trmico: clasificacin (II) MOTOR TRMICO DE COMBUSTIN MOTOR ALTERNATIVO MOTOR ROTATIVO MOTOR DE CHORRO El fluido de trabajo acta sobre El fluido acta sobre pistones El fluido es el encargado de pistones dotados de movimiento rotantes o sobre turbinas producir el empuje por el alternativo de subida y bajada principio de accin y reaccin 28CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 29. Motor alternativo de combustin externa: MQUINA A VAPOR (I) Mquina de Watt Mquina de Newcomen 29CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 30. Motor alternativo de combustin externa: MQUINA A VAPOR (II) Partes de una mquina a vapor simple 30CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 31. Motor alternativo de combustin externa: MQUINA A VAPOR (III) Detalle de la caja de distribucin FUNCIONAMIENTO 31CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 32. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (I) DIFERENTES PARTES 32CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 33. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (II) 33CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 34. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (III) CICLO DE 4 TIEMPOS Primer tiempo o admisin: El descenso del pistn aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado (MEP) o el aire en motores de encendido por compresin (MEC). La vlvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisin est abierta. En el primer tiempo el cigeal da 180 y el rbol de levas da 90 y la vlvula de admisin se encuentra abierta y su carrera es descendente. Segundo tiempo o compresin: Al llegar al final de carrera inferior, la vlvula de admisin se cierra, comprimindose el gas contenido en la cmara por el ascenso del pistn. En el 2 tiempo el cigeal da 180 y el rbol de levas da 180, y adems ambas vlvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente. 34CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 35. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (IV) CICLO DE 4 TIEMPOS Tercer tiempo o explosin: Al llegar al final de carrera superior el gas ha alcanzado la presin mxima. En los motores de encendido provocado (MEP), salta la chispa en la buja, provocando la inflamacin de la mezcla, mientras que en los motores disel, se inyecta con jeringa el combustible que se autoinflama por la presin y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustin, esta progresa rpidamente incrementando la temperatura en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistn. En este tiempo el cigeal da 180 mientras que el rbol de levas da 90, ambas vlvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente. Esta es la nica fase en la que se obtiene trabajo, que se almacena en forma de energa mecnica mediante un volante de inercia, del cual se toma la necesaria para realizar los otros tres tiempos. 35CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 36. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (V) CICLO DE 4 TIEMPOS Cuarto tiempo o escape: En esta fase el pistn empuja cuidadosamente, en su movimiento ascendente, los gases de la combustin que salen a travs de la vlvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto mximo de carrera superior, se cierra la vlvula de escape y se abre la de admisin, reinicindose el ciclo. En este tiempo el cigeal da 180 y el rbol de levas da 180 y su carrera es ascendente. Al completar el ciclo se habrn producido 4 carreras de pistn y 2 vueltas completas del cigeal. FUNCIONAMIENTO 36CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 37. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (VI) FUNCIONAMIENTO PARTES Y FUNCIONAMIENTO 37CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 38. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 2 TIEMPOS (I) DIFERENTES PARTES 38CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 39. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 2 TIEMPOS (II) CICLO DE 2 TIEMPOS Fase de admisin-compresin: El pistn se desplaza hacia arriba (la culata) desde su punto muerto inferior, en su recorrido deja abierta la lumbrera de admisin. Mientras la cara superior del pistn realiza la compresin en el cilindro, la cara inferior succiona la mezcla de aire y combustible a travs de la lumbrera. Para que esta operacin sea posible el crter tiene que estar sellado. Fase de potencia-escape: Al llegar el pistn a su punto muerto superior se finaliza la compresin y se provoca la combustin de la mezcla gracias a una chispa elctrica producida por la buja. La expansin de los gases de combustin impulsan con fuerza el pistn que transmite su movimiento al cigeal a travs de la biela. 39CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 40. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 2 TIEMPOS (III) FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO 40CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO La lubricacin, que en el motor de cuatro tiempos se efecta mediante el crter, en el motor de dos tiempos se consigue mezclando aceite con el combustible. 41CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO El crter del cigeal debe estar sellado y cumple la funcin de cmara de precompresin. En el motor de cuatro tiempos, por el contrario, el crter sirve de depsito de lubricante. La entrada y salida de gases al motor se realiza a travs de las lumbreras (orificios situados en el cilindro). No existen vlvulas que abren y cierran el paso de los gases en los motores de cuatro tiempos. El pistn dependiendo de la posicin que ocupa en el cilindro en cada momento abre o cierra el paso de gases a travs de las lumbreras. Ambas caras del pistn realizan una funcin simultneamente, en el motor de cuatro tiempos nicamente est activa la cara superior. Realiza 2 carreras de pistn (1 vuelta de cigeal), en lugar de 4. 41. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 2 TIEMPOS (IV) DIFERENCIAS CON EL MOTOR DE 4 TIEMPOS Durante la fase de potencia-escape, parte del volumen de mezcla sin quemar (mezcla limpia), se pierde por la lumbrera de escape junto a los gases resultantes de la combustin provocando no solo una prdida de rendimiento, sino ms emisiones contaminantes. 42CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Su rendimiento mecnico es inferior ya que la compresin, en la fase de compresin- admisin, no es enteramente efectiva hasta que el pistn mismo cierra las lumbreras de transferencia y de escape durante su recorrido ascendente. Esta prdida de compresin tambin provoca una prdida de potencia. Este motor consume aceite, ya que la lubricacin se consigue incluyendo una parte de aceite en el combustible. Este aceite penetra con la mezcla en la cmara de combustin y se quema produciendo emisiones contaminantes y suciedad dentro del cilindro que pueden afectar a la buja impiendo el correcto funcionamiento. Pueden operar en cualquier orientacin ya que el crter no almacena el lubricante. Inconvenientes Al producirse una explosin por cada vuelta del cigeal, desarrolla ms potencia para una misma cilindrada y su marcha es ms regular. El motor de dos tiempos no precisa vlvulas de los mecanismos que las gobiernan, por lo tanto es ms liviano y de construccin ms sencilla, por lo que resulta ms econmico. 42. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 2 TIEMPOS (V) VENTAJAS E INCONVENIENTES RESPECTO DEL MOTOR DE 4 TIEMPOS Ventajas El combustible es gasleo. Una mejora sustancial para ambos motores es la sobrealimentacin, que consiste en introducir en los cilindros ms aire y combustible de que aceptan de forma natural. Se aumenta la potencia, o se reduce el tamao del motor para una misma potencia. 43CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO El encendido se produce por la inyeccin de combustible sobre este aire comprimido y caliente, provocando su autoinflamacin. En el tiempo de admisin entra aire en el cilindro que es fuertemente comprimido elevndose su temperatura. Pueden ser de 2 4 tiempos. El combustible es gasolina. MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESIN (MEC) El encendido es por chispa que suministra una buja. El combustible se mezcla con aire en un carburador o mediante un sistema de inyeccin antes de entrar en el cilindro. Pueden ser de 2 4 tiempos. 43. Motor alternativo de combustin interna: MOTORES MEP y MEC MOTOR DE ENCENDIDO PROVOCADO (MEP) Tramo 1-0: Expulsin de los gases. El volumen pasa de V1 a V0 44CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Tramo 4-1: Escape de los gases. Al abrirse la vlvula de escape descienden bruscamente presin y T hasta P1 y T1 Nota.- tiene 6 pasos aunque se produce en 4 con lo que el motor cede calor al exterior. carreras de pistn Tramo 3-4: Expansin adiabtica del 0 1 pistn. Los gases de la combustin se expanden en el cilindro hasta V1 por lo que descienden presin y T (P4 y T4). Tramo 2-3: Explosin y absorcin inmediata de calor. La combustin hace Qc que se aumenten la presin y T de forma instantnea hasta P3 y T3 manteniendo el 2 volumen. Esto hace que se ceda calor del 4 combustible al motor. QF Tramo 1-2: Compresin adiabtica. Disminuye a un volumen V2 con lo que aumenta la presin y T (P2 y T2). 3 Tramo 0-1: Admisin de la mezcla: Se realiza a presin y T constantes, las del exterior. El volumen pasa de V0 a V1 44. Motor alternativo de combustin interna: CICLO TERMODINMICO DE LOS MOTORES MEP (I) CICLO OTTO TERICO (MEP) La diferencia entre estas energas es el trabajo mecnico realizado que se manifiesta en la fase de expansin y provoca que el pistn haga girar al cigeal. En el resto de tramos es ste ltimo quien arrastra al pistn gracias al volante de inercia. El rendimiento terico del ciclo de Otto ser: T4 T1 1 VB OTTO 1 1 donde r T3 T 2 r 1 VA donde es el exponente adiabtico (1.4 en los gases ideales) y r es la relacin entre el volumen barrido por el pistn VB y el volumen de la cmara de combustin VA 45CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Se produce aportacin calrica del combustible al motor y cesin de calor del motor al exterior. Es un ciclo cerrado ya que las condiciones de presin, volumen y temperatura del final son las iniciales. 45. Motor alternativo de combustin interna: CICLO TERMODINMICO DE LOS MOTORES MEP (II) CICLO OTTO TERICO (MEP) Tramo 1-0: Expulsin de los gases. El volumen pasa de V1 a V0 46CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Tramo 4-1: Cesin de calor. Al abrirse la vlvula 1 de escape descienden bruscamente presin y T hasta P1 y T1 con lo que el motor cede calor al exterior. Tramo 3-4: Expansin adiabtica del pistn. Los gases de la combustin se expanden en el 4 cilindro hasta V4 por lo que descienden presin QF y T (P4 y T4). 0 Tramo 2-3: Absorcin de calor. Manteniendo la 3 presin cte, la combustin progresiva del combustible que se inyecta hace que se ceda calor del combustible al motor. Tramo 1-2: Compresin adiabtica. Disminuye a un volumen V2 con lo que aumenta la presin y T (P2 y T2). 2 Qc Tramo 0-1: Admisin: Se realiza a presin y T constantes, las del exterior. El volumen pasa de V0 a V1 46. Motor alternativo de combustin interna: CICLO TERMODINMICO DE LOS MOTORES MEC (I) CICLO DIESEL TERICO (MEC) 47. Motor alternativo de combustin interna: CICLO TERMODINMICO DE LOS MOTORES MEC (II) CICLO DIESEL TERICO (MEC) El rendimiento terico del ciclo Diesel ser: 1 rC - 1 VB V3 DIESEL 1 donde r r r 1 rC 1 VA C V2 donde es el exponente adiabtico (1.4 en los gases ideales) y r es la relacin volumtrica y rC es la relacin de combustin. El rendimiento del ciclo diesel terico es mayor que el de otto terico, ya que aunque el poder calorfico del gasoil es ligeramente inferior, la mezcla con aire compensa esto y, adems, la relacin de compresin del ciclo diesel es mucho mayor que la del ciclo otto (por estar ste limitado por la detonacin). No obstante, los ciclos reales difieren notablemente de los tericos. 47CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 48. Motor alternativo de combustin interna: CICLO TERMODINMICO DE LOS MOTORES MEC (III) VENTAJAS E INCONVENIENTES RESPECT Ms ruidoso a causa de las fuertes explosiones en la combustin. 48CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Mayor coste de construccin, auque se amortiza antes gracias a su mayor durabilidad. Este motor es ms pesado. Menor contaminacin de los gases de escape , aunque emiten partculas de azufre. Inconvenientes Vida ms larga del motor. Menor consumo y menor coste del combustible. Mayor rendimiento trmico; es decir, mayor cantidad de calor transformado en energa mecnica. (50% frente al 30% de los MEP). O DEL MOTOR MEP Ventajas RGIMEN DE GIRO (n) es el nmero de revoluciones por minuto (rpm) a que gira el motor. 49CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO VOLUMEN DE LA CMARA DE COMBUSTIN (VC) es el volumen que ocupa la mezcla cuando el pistn est en el PMS en la fase de compresin. CARRERA (S) es el espacio que recorre el pistn entre el PMS y el PMI medido en mm. DIMETRO CALIBRE (D) es el dimetro interior del cilindro medido en mm. 49. Motor alternativo de combustin interna: PARMETROS DEL MOTOR (I) CILINDRADA TOTAL (VT) es el producto de la cilindrada unitaria por el nmero de cilindros (Z) que tiene el motor. VT Z VD 50CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO CILINDRADA UNITARIA (VD) es el volumen del cilindro entre el PMS y el PMI medido en cc. D2 S VD 4000 RELACIN CARRERA-DIMETRO (S/D) es el cociente S Relacin carrera- dimetro D 50. Motor alternativo de combustin interna: PARMETROS DEL MOTOR (II) RELACIN VOLUMTRICA DE COMPRESIN (r) es el cociente entre el volumen ocupado por la mezcla cuando el pistn est en el PMI y el que ocupa cuando est en el PMS. VD VC r VC Es mayor en los motores diesel que en los de gasolina 51CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO51. Motor alternativo de combustin interna: PARMETROS DEL MOTOR (III) Calcula la cilindrada unitaria y la cilindrada total de un motor de cuatro cilindros sabiendo que su dimetro es de 80mm y su carrera de 93mm. D2 S 80 2 mm 2 93mm VD 467.23 cc 4000 4000 VT Z VD 4 467.23cc 1868.93 cc 52CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO52. Motor alternativo de combustin interna: PARMETROS DEL MOTOR (IV) ___EJERCICIO___ POTENCIA es el trabajo realizado por unidad de tiempo. Es consecuencia directa del par motor y del rgimen de giro. Es menor en los motores diesel que en los de gasolina, para una misma cilindrada PTIL 53CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO PAR MOTOR es el momento de rotacin que acta sobre el eje del motor cuando ste gira. Se obtiene en el cigeal y vara con el rgimen de giro del motor. 53. Motor alternativo de combustin interna: PAR MOTOR y POTENCIA Compara dos motores gasolina y dos motores diesel en cuanto a sus parmetros y magnitudes caractersticas 54CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO54. Motor alternativo de combustin interna: PARMETROS DEL MOTOR (IV) ___EJERCICIO___ Un automvil gasta 8l de gasolina cada 100Km cuando circula a una velocidad constante de 90Km/h y desarrolla 40Kw de potencia. Si la gasolina tiene una densidad de 700Kg/m3 y un poder calorfico de 43472KJ/Kg, determina el rendimiento del motor. Trabajo consumido en 100Km Q W PC m 43472 KJ/Kg 0.7 Kg/l 8l 243443 KJ (energa calorfica del combustible) s s 100 Km V t 1.11h 4000s tiempo durante el que se ha t v 90 Km/h consumido trabajo W 243443 KJ P 60.86KW Potencia consumida t 4000 s W PUTIL 40 KW t 0.66 66% Q PCONSUMIDA 60.86 KW 55CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO55. Motor alternativo de combustin interna: PARMETROS DEL MOTOR (V) ___EJERCICIO___ En un motor de 2T se produce un trabajo neto de 20J en cada ciclo, deducidos del diagrama PV real. Si el motor gira a 4000 rpm cul ser su potencia? Cunta gasolina consumir en l/h si tiene un rendimiento del 35%? Cul ser el par motor? (poder calorfico de la gasolina es 45980KJ/Kg y su densidad 700Kg/m3) W 20 J PTIL n 4000 1.33KW Potencia til en 4000 ciclos t 60s W PUTIL PUTIL 1.33 KW t PCONSUMIDA 3809.52 W Q PCONSUMIDA t 0.35 WCONSUMIDO PCONSUMIDO t 3809.52W 3600s 13714272J Trabajo consumido por hora Q W PC m 45980 KJ/Kg 0.7 Kg/l 32186 KJ/l Poder calorfico en J/l 13714.272KJ consumo 0.43 l 32186 KJ/l 56CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO56. Motor alternativo de combustin interna: PARMETROS DEL MOTOR (VI) ___EJERCICIO___ En un motor de 2T se produce un trabajo neto de 20J en cada ciclo, deducidos del diagrama PV real. Si el motor gira a 4000 rpm cul ser su potencia? Cunta gasolina consumir en l/h si tiene un rendimiento del 35%? Cul ser el par motor? (poder calorfico de la gasolina es 45980KJ/Kg y su densidad 700Kg/m3) 2 2 n 4000 418.88 s -1 Velocidad angular t 60 s PUTIL 1.33 KW PTIL 3.18 Nm 418.88 rad/s 57CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO57. Motor alternativo de combustin interna: PARMETROS DEL MOTOR (VII) ___EJERCICIO___ (continuacin) El motor de una motocicleta tiene un par motor mximo de 120Nm a 4000rpm cuando va a una velocidad de 144Km/h. Cules son la potencia desarrollada y el consumo en l/100Km en estas condiciones, si el rendimiento del motor es del 40%? (poder calorfico de la gasolina es 45980KJ/Kg y su densidad 700Kg/m3) 2 2 n 4000 418.88 s -1 t 60 s PTIL 120Nm 418.88 rad/s 50265.48 W PUTIL 50265.48 W s 100Km PCONSUMIDA 125663.7 W t 0.6994h 2500s t 0.4 v 144 Km/h WCONSUMIDO PCONSUMIDO t 125663 .7 W 25 00s 314159 .26 KJ 314159.26 KJ consumo a los 100Km 9.76 l 45980 KJ/Kg 0.7 Kg/l 58CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO58. Motor alternativo de combustin interna: PARMETROS DEL MOTOR (VIII) ___EJERCICIO___ RENDIMIENTO MECNICO debido a los rganos mecnicos adyacentes al motor. En el mejor de los casos ser del 85 90%. 59CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO RENDIMIENTO TRMICO relaciona la potencia de motor con la potencia liberada por el combustible puesto en juego. (incluye las prdidas de calor y el rendimiento termodinmico del ciclo). En los motores MEP se alcanzan rendimientos del 30% mientras que en los MEC del 50%. RENDIMIENTO VOLUMTRICO definido porque el motor no se llena completamente de aire. En los motores MEP se alcanzan rendimientos del 95%. 59. Motor alternativo de combustin interna: RENDIMIENTO 60. Motor rotativo de combustin externa: TURBINA DE VAPOR (I) Convierte en energa mecnica la energa de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento bsico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas o labes, hlices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energa mecnica se transfiere a travs de un eje para proporcionar el movimiento de una mquina, un compresor, un generador elctrico o una hlice. Muy utilizadas en centrales elctricas y propulsin de buques 60CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 61. Motor rotativo de combustin externa: TURBINA DE VAPOR (II) El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio termodinmico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su presin y temperatura reduciendo su energa interna. Esta reduccin de la energa interna se transforma en energa mecnica por la aceleracin de las partculas de vapor, lo que permite disponer directamente de una gran cantidad de energa. DETALLE LABES FUNCIONAMIENTO CLASIFICACIN 61CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 62. Motor rotativo de combustin interna: MOTOR WANKEL (I) COMPONENTES EXTERIORES El motor Wankel utiliza rotores en vez de los pistones. 62CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 63. Motor rotativo de combustin interna: MOTOR WANKEL (II) COMPONENTES INTERIORES Se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa; es como tener un cilindro dedicado a cada uno de los tiempos, con el pistn movindose continuamente de uno a otro. Ms concretamente, el cilindro es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un pistn triangular que realiza un giro de centro variable. Este pistn comunica su movimiento rotatorio a un cigeal que se encuentra en su interior, y que DESPIECE gira ya con un centro nico. 63CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 64. Motor rotativo de combustin interna: MOTOR WANKEL (III) FUNCIONAMIENTO Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presin creada por la combustin de la mezcla aire- combustible. La diferencia radica en que esta presin est contenida en la cmara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones. El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vrtices en contacto con el alojamiento, delimitando as tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cmara, cada uno de los 3 volmenes se expanden y contraen alternativamente; es esta expansin-contraccin la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energa expansiva y la expele hacia el escape. FUNCIONAMIENTO 64CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 65. Motor rotativo de combustin interna: MOTOR WANKEL (IV) FUNCIONAMIENTO 65CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Difcil sincronizacin. 66CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Mantenimiento caro al no estar muy distribuido. Problemas de estanqueidad. Emisiones muy contaminantes. No se ajusta a la normativa. Menor peso y volumen. Inconvenientes Menos vibraciones y ruido. Menor velocidad de rotacin. Mayor fiabilidad. Suavidad de la marcha. El sentido de giro es nico. Menos piezas mviles. Mayor fiabilidad. 66. Motor rotativo de combustin interna: MOTOR WANKEL (V) VENTAJAS E INCONVENIENTES RESPECTO DEL MOTOR MEP Ventajas 67. Motor rotativo de combustin interna: TURBINAS DE GAS DE CICLO ABIERTO (I) COMPONENTES Una turbina de gas, es una turbomquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas 67CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 68. Motor rotativo de combustin interna: TURBINAS DE GAS DE CICLO ABIERTO (II) FUNCIONAMIENTO DE UN TURBORREACTOR Hay una admisin de aire que es comprimido por un compresor solidario al eje de la turbina y dirigido a la cmara de combustin, donde mezclado con combustible se produce una combustin continua. Los gases generados a gran velocidad y T son expulsados hacia el exterior pasando por los labes de una turbina. Por el principio de accin-reaccin se produce empuje en sentido contrario. FUNCIONAMIENTO 68CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO MQUINA FRIGORFICA es cualquier dispositivo capaz de hacer descender la temperatura de un determinado objeto o lugar hacindola inferior a la de su entorno. Para ello tiene que consumir trabajo. REFRIGERADOR MQUINA FRIGORFICA BOMBA DE CALOR 69CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO69. Mquina Frigorfica (I) 70. Mquina Frigorfica (II) TC > TF FOCO QC FOCO MOTOR TRMICO (TC) QF (TF) El calor pasa del foco caliente al fro. La diferencia de calor se emplea en producir trabajo W = Qc - QF TC > TF FOCO FOCO MQUINA QC QF FRIGORFICA (TC) (TF) El calor se extrae del foco W = Qc - QF fro y se manda al caliente. La diferencia de calor es el trabajo consumido Para que se produzca trabajo neto la mquina trmica debe funcionar entre 2 focos a temperaturas diferentes, de lo contrario no hay trnsito de calor 70CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Consta de 4 partes: compresor, condensador, vlvula de expansin (o tubo capilar) y evaporador. PARTES DEL REFRIGERADOR 71CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Durante la evaporacin se extrae el calor del lugar a refrigerar (fuente fra) y en la condensacin se cede calor hacia el exterior (fuente caliente) Funciona segn un ciclo cerrado en el que un gas es comprimido por lo que sufre una condensacin para despus sufrir un proceso de evaporacin. La ms utilizada es la de compresor. 71. Mquina Frigorfica o Refrigerador (I) Tener cierta viscosidad que impida fugas fortuitas. 72CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO No corrosivo de los metales No txico ni contaminante (antes se usaban CFCs) No provocar explosiones No fcilmente inflamable Otras caractersticas del gas deben ser: Presin de evaporacin mayor que la atmosfrica Calor latente de vaporizacin elevado El gas pertenece al grupo de los fluidos criognicos: 72. Mquina Frigorfica o Refrigerador (II) 73. Mquina Frigorfica o Refrigerador (III) CICLO TRMICO. DIAGRAMA P-V Proceso 1-2: Compresin adiabtica del gas desde Tf=T1=T4 hasta Tc=T2=T3. El compresor aspira el gas procedente de la evaporacin, disminuye su presin acelerando su evaporacin y al otro lado comprime adiabticamente hacia el condensador favoreciendo la condensacin. Se consume trabajo. Proceso 2-3: Compresin isoterma del gas a Tc. El gas licua en el condensador y se cede QC al foco caliente ya que la compresin ha elevado la T de la mquina por encima de la del foco caliente. Al haber cambio de estado la T se mantiene y se cede el calor latente de evaporacin. Proceso 3-4: Expansin adiabtica del gas desde Tc hasta Tf. Disminuyen T y presin del lquido empezando la evaporacin Proceso 4-1: Expansin isotrmica del gas a Tf en el evaporador mientras se extrae calor Qf del foco fro, gracias a que la T del gas es menor a la del recinto a refrigerar. Al perder presin el lquido se evapora absorbiendo calor. Al haber cambio de estado la T se mantiene y se absorbe el calor latente de evaporacin. 73CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Los procesos 1-2 y 3-4 son adabticos; al variar la presin vara la T hasta Tc y Tf respectivamente. FUNCIONAMIENTO 74CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICOLos procesos 2-3 y 4-1 son isotermos; no hay cambio de T pero si de estado, por lo que se produce en la mquina cesin y absorcin del calor latente de evaporacin, respectivamente. Los procesos 3-4 y 4-1 son de expansin para evaporar el lquido. Se producen en la vlvula de expansin y evaporador, respectivamente. Los procesos 1-2 y 2-3 son de compresin para licuar el gas. Se producen en el compresor y condensador respectivamente. 74. Mquina Frigorfica o Refrigerador (IV) CICLO TRMICO. DIAGRAMA P-V Interesa extraer la mayor cantidad posible de calor invirtiendo el menor trabajo posible. 75CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO En cualquier caso, los procesos no son perfectamente reversibles, la compresin no es ideal y en la condensacin se pierde energa, por lo que nunca se realiza el ciclo ideal de Carnot. Podra ser mayor a la unidad, lo que significara no un rendimiento mayor del 100% sino que nunca el calor extrado por unidad de trabajo ser mayor al obtenido en la mquina reversible de Carnot, que es ideal. Se calcula de forma inversa a la eficiencia de una mquina trmica generadora de trabajo. COEFICIENTE DE EFICIENCIA o DE OPERACIN (COP) es el cociente del calor que se extrae del foco fro Qf y el trabajo aportado en la compresin W QF QF TF COP W QC QF TC TF 75. Mquina Frigorfica o Refrigerador (V) Determina la potencia que tiene que tener un refrigerador con un COP=6 para fabricar cubitos a partir de 5l de agua a 20C en un tiempo de 10 minutos. El agua tiene un calor especfico de 4.18 KJ/KgC y un calor latente de fusin de 333.5 KJ/Kg Q1 m Ce T 5Kg 4.18KJ/Kg C 20 C 418 KJ Calor extrado hasta los 0C Q2 m Cl 5Kg 333.5 KJ/Kg 1667 KJ Calor extrado para congelar Q Q1 Q2 418KJ 1667KJ 2085KJ QF QF 2085 KJ COP W 347.85 KJ W COP 6 W 347.85 KJ P 0.58KW t 600 s 76CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO76. Mquina Frigorfica o Refrigerador (VI) ___EJERCICIO___ En una cocina, un refrigerador extrae 90KJ por minuto de calor del espacio refrigerado. Si su COP es 1.8 determina la potencia elctrica consumida por el refrigerador y el calor cedido a la cocina por minuto QF QF 90KJ COP W 50KJ W COP 1.8 W 50KJ P 0.833KW t 60s QC 1 COP W 1 1.8 50KJ 140KJ 77CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO77. Bomba de calor (IV) ___EJERCICIO___ Un refrigerador domstico con un motor de 450W de potencia y un COP de 2.5 tiene que enfriar hasta los 8C 10Kg de fruta que se encuentra inicialmente a 20C. Cunto tiempo tardar en hacerlo si el calor especfico de la fruta es 4.2 KJ/KgC? Q1 m Ce T 10Kg 4.2KJ/Kg C (20 C - 8 C) 504 KJ Calor extrado hasta los 8C QF QF 504 KJ COP W 201.6 KJ W COP 2.5 W W 201.6KJ P t 448 s t P 450W 78CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO78. Bomba de calor (V) Puede funcionar en sentido inverso, mediante una vlvula reversible a la salida del compresor, haciendo pasar el aire por el evaporador para obtener refrigeracin. 79CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO BOMBA de CALOR es un refrigerador que se aprovecha el calor cedido al condensador para calentar un recinto, actuando como calefactor. 79. Bomba de calor (I) COEFICIENTE DE EFICIENCIA o DE OPERACIN (COP) es el cociente del calor que se extrae del foco fro Qf y el trabajo aportado en la compresin W. En este caso interesa conocer el calor que se cede al foco caliente Qc QF QC W COP W W donde el calor cedido por el condensador al exterior es la suma del calor obtenido del evaporador ms el trabajo realizado por el compresor QC QC QF W W 1 COP 80CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO80. Bomba de calor (II) Una bomba de calor funciona segn el ciclo de Carnot entre dos focos a 25C y 5C, respectivamente. La energa suministrada al sistema es 1KWh. Calcula la cantidad de calor extrada del foco fro, la que se cede al foco caliente y el COP Tc 25 273 298 K TF 278K COP 13.9 TF 5 273 278 K TC TF 20K 864Kcal QF COP W 13.9 1KWh 12010Kcal 1KWh QC W Q F 864Kcal 12010Kcal 12874Kcal 81CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO81. Bomba de calor (III) ___EJERCICIO___ 1. PRINCIPIOS DE MQUINAS- MQUINAS TRMICAS - TECNOLOGA INDUSTRIAL II 2 BACHILLERATO Luis Miguel GARCA GARCA-ROLDN Dpto. de Tecnologa IES CAP DE LLEVANT - MA Ma - 2009 Disposicin a dar importancia a los temas ambientales dentro del marco de un desarrollo sostenible. 2CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Descripcin de la bomba de calor. Uso y aplicacin prctica. Descripcin termodinmica del ciclo frigorfico. Representacin del ciclo frigorfico en diagrama T-S. Identificacin de los elementos fundamentales de un equipo frigorfico. Circuitos frigorfico: Principio de funcionamiento y elementos. Bomba de calor. Representacin grfica de las piezas ms caractersticas de un motor. Mquinas trmicas rotativas. Descripcin de diferentes tipos de turbinas. El ciclo de Rankine. Resolucin de problemas de clculo de potencia, trabajo de un ciclo, par motor, consumo de combustible, rendimiento trmico, etc., en los motores. Balance energtico de un motor. Interpretacin grfica del balance de energa de un motor. El consumo de combustible y el rendimiento del motor (trmico y mecnico). Curvas de par, potencia y consumo de combustible. Grficos y su anlisis. Clculos y datos en los motores: presin media efectiva, rpm, par motor, trabajo de un ciclo, cilindrada, potencia indicada, potencia de eje. Anlisis de los ciclos tericos y reales de los motores. Identificacin de las diferencias fundamentales entre los tipos de motores estudiados. Motores de ciclo de Otto y de ciclo diesel. Motores de 2 i 4 tiempos. Motores trmicos alternativos. Descripcin de las partes y del funcionamiento. Principios de termodinmica. Representacin grfica e interpretacin del Ciclo de Carnot. 2. Contenido Es la ley de conservacin de la energa aplicada al estudio de las mquinas trmicas. Si se realiza trabajo sobre un sistema o ste intercambia calor con otro la energa interna del sistema cambiar. Por tanto, el calor es la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energa interna. Eentra Esale = E MOTOR TRMICO Q = U + W (aumenta T motor y genera trabajo mecnico) MQUINA FRIGORFICA W = U + Q (aumenta T compresor y se extrae calor) 3CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO3. Primer principio de la TERMODINMICA (I) Sea cual sea el procedimiento usado para convertir el calor en trabajo o viceversa, hay una relacin constante entre el trabajo desarrollado y el calor consumido, siempre que el estado final del sistema sea igual al inicial. Esta relacin se denomina equivalente mecnico del calor y es igual a 427 Kgm/Kcal. 4CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO4. Primer principio de la TERMODINMICA (II) El calor no se puede transferir trabajo (E.til).(Enunciado de espontneamente de un Kelvin-Planck). cuerpo fro a otro ms caliente. 5CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO NO podr efectuar trabajo sin ciclos, absorba calor de una ceder calor al exterior que nica fuente (E.absorbida) y lo estar a menor T. convierta ntegramente en No existe ningn dispositivo externa con mayor T. que, operando por NO podr efectuar trabajo sin absorber calor de una fuente Tendr un rendimiento equilibrio trmico. energtico menor a la unidad. NO puede transformar calor en cuerpos de mayor temperatura trabajo sin aumentar la energa hacia los de menor termodinmica del ambiente. temperatura, hasta lograr un El flujo espontneo de calor MQUINA TRMICA CCLICA siempre es unidireccional, desde los 5. Segundo principio de la TERMODINMICA PROCESO TERMODINMICO REVERSIBLE En cada momento de la transformacin termodinmica las temperaturas y presiones estn en equilibrio. Una variacin muy pequea de estas determina el sentido de la transformacin. PROCESO ABIERTO A T , P B Ambas transformaciones AB y BA son reversibles PA , TA PB , TB y pasan por los mismos estados A PROCESO CERRADO T , P CICLO PA , TA 6CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO6. Ciclos termodinmicos (I) 7. Ciclos termodinmicos (II) TC > TF FOCO QC FOCO MOTOR TRMICO (TC) QF (TF) El calor pasa del foco caliente al fro. La diferencia de calor se emplea en producir trabajo W = Qc - QF TC > TF FOCO FOCO MQUINA QC QF FRIGORFICA (TC) (TF) El calor se extrae del foco W = Qc - QF fro y se manda al caliente. La diferencia de calor es el trabajo consumido Para que se produzca trabajo neto la mquina trmica debe funcionar entre 2 focos a temperaturas diferentes, de lo contrario no hay trnsito de calor 7CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO De acuerdo con el segundo principio de la termodinmica, el calor no se podr transformar ntegramente en trabajo. Por tanto, definiremos el RENDIMIENTO o EFICIENCIA TRMICA (t) como la relacin entre el trabajo realizado y la energa en forma de calor aportado por el cuerpo caliente EUTIL E APORTADA W QC QF QF t 1 QC QC QC 8CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO8. Eficiencia trmica 9. Ciclo de Carnot (I) TC > El motor cede calor a T inferior. (prdidas en calor en los gases de escape) QC QF QF t 1 QC QC 9CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO El calor realiza trabajo mecnico. (trabajo obtenido) Al motor se le suministra energa en forma de calor a T elevada. (calor proporcionado por el combustible) TF FOCO QC FOCO MOTOR TRMICO (TC) QF (TF) El calor pasa del foco caliente al fro. La diferencia de calor se emplea en producir trabajo W = Qc - QF Lgicamente, interesa que el intercambio de calor sea el menor posible (ceder el mnimo calor Q F posible) para transformar en trabajo la mayor cantidad de calor posible. Carnot (1824) parti de tres hechos incuestionables para definir el rendimiento mximo de un motor trmico (o mquina frigorfica): Se realiza trabajo exterior a costa del calor absorbido del foco caliente. Vb W1 Q1 R T1 ln Va 10CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERN Expansin isotrmica del gas del punto a al punto b a la temperatura T1=Ta=Tb Culata del cilindro: foco caliente T1. Tiempo 1 .- 10. Ciclo de Carnot (II) Suponemos un gas ideal que realiza un ciclo reversible en el interior de un cilindro de un motor trmico que funciona entre dos focos de calor, el caliente a temperatura T1 y el fro a temperatura T2. ATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO La ecuacin de estado para el gas es: 1 Tb Vc T1 Tc Vb T2 11CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO No se produce intercambio de calor con el exterior Expansin adiabtica del gas del punto b al punto c hasta alcanzar la temperatura T2=Tc=Td Culata del cilindro: material aislante. Tiempo 2 .- 11. Ciclo de Carnot (III) Se consume trabajo exterior al ceder calor al foco fro. Vc W2 Q2 R T2 ln Vd 12CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Compresin isotrmica del gas del punto c al punto d a la temperatura T2=Tc=Td Culata del cilindro: foco fro T2. Tiempo 3 .- 12. Ciclo de Carnot (IV) La ecuacin de estado para el gas es: 1 Ta Vd T1 Td Va T2 13CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO No se produce intercambio de calor con el exterior Compresin adiabtica del gas del punto d al punto a hasta alcanzar la temperatura T1=Ta=Tb Culata del cilindro: material aislante. Tiempo 4 .- 13. Ciclo de Carnot (V) 14. Ciclo de Carnot (VI) Al haberse completado un ciclo podemos comparar los tiempos 2 y 4 y deducir la relacin de volmenes: 1 1 T1 Vc Vd T2 Vb Va Vc Vd Vc Vb Vb Va Vd Va Vc R T2 ln Q2 Vd T2 c 1 1 1 Q1 1 Vb T1 R T1 ln Va El rendimiento del ciclo de Carnot (c) depende nicamente de las temperaturas de los focos fro y caliente (en grados Kelvin) y cuanto mayor sea la diferencia entre stas, mayor ser la eficiencia 14CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 15. Ciclo de Carnot (VII) Simulacin del ciclo de Carnot 15CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 16. Ciclo de Carnot (VIII) Se puede demostrar que cualquier motor trmico que funcione segn un ciclo reversible entre los mismos focos de calor tiene el mismo rendimiento. 16CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Halla el rendimiento de un ciclo de Carnot que trabaja entre 20C y 900C Tc 900 273 1173K TF 20 273 293K TF 293 c 1 1 0.75 75% Tc 1173 17CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO17. Ciclo de Carnot (IX) ___EJERCICIO___ En consecuencia, como el rendimiento no puede ser mayor que la unidad (una mquina no puede tener una eficiencia mayor a la terica de Carnot): Si t Definiremos el RENDIMIENTO o EFICIENCIA TRMICA SEGN EL SEGUNDO PRINCIPIO (s) como la relacin entre las eficiencias trmica real (t) y de Carnot (c) . Da idea de la eficiencia de la mquina respecto de la mxima terica, la de Carnot. s t c 18. Eficiencia trmica segn el segundo principio de la termodinmica (I) < c , la mquina es irreversible pero real Si t = c , la mquina es reversible y por ello imposible Si t > c , la mquina es totalmente imposible 18CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Una mquina trmica trabaja entre dos fuentes trmicas a 200C y 30C respectivamente. Si extrae una energa en forma de calor QC=300MJ de la fuente caliente y cede QF=200MJ a la fuente fra, calcula su eficiencia segn el segundo principio y el trabajo o energa perdidos en las irreversibilidades Tc 200 273 473 K TF 30 273 303 K Trabajo realizado W QC QF 300MJ 200MJ 100MJ W 100MJ t 0.33 33% Eficiencia trmica Q C 300MJ TF 303 c 1 1 0.36 36% Eficiencia Carnot Tc 473 19CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO19. Eficiencia trmica segn el segundo principio de la termodinmica (II) ___EJERCICIO___ Una mquina trmica trabaja entre dos fuentes trmicas a 200C y 30C respectivamente. Si extrae una energa en forma de calor QC=300MJ de la fuente caliente y cede QF=200MJ a la fuente fra, calcula su eficiencia segn el segundo principio y el trabajo o energa perdidos en las irreversibilidades t 0.33 s 0.92 92% Eficiencia segn el c 0.36 segundo principio Aunque la eficiencia trmica parezca baja, es una buena mquina ya que tiene una eficiencia respecto de la mxima del 92% y , por tanto, slo pierde el 8%. Esto quiere decir que si la mquina fuera reversible hara un trabajo de Wc 300MJ0.36 108MJ El trabajo de prdidas ser Wp Wc - W 108MJ - 100MJ 8MJ 20CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO20. Eficiencia trmica segn el segundo principio de la termodinmica (III) ___EJERCICIO___ En los procesos reversibles la entropa no vara y en los irreversibles aumenta ya que se pierde calor 21CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO En los sistemas adiabticos la variacin de la entropa es nula ya que no hay intercambio de energa en forma de calor con el exterior. Cuando el calor pasa de un sistema a otro de menor T, algo tiene que aumentar para contrarrestar el descenso de T; ya que la energa tiene que conservarse. Eso es la VARIACIN o FLUJO DE ENTROPA (S) Qi Q T1 S1 T2 S2 ... S [J/K] Ti 21. Entropa (I) A dnde va la energa en forma de calor que se Al ambiente desprende en el que envuelve Al Universo rozamiento, o al al sistema frotarnos las manos? El rea encerrada por la curva representa el trabajo realizado o el calor intercambiado entre los focos caliente y fro W Tc S1-2 Tf S3-4 Qc - Qf 22CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO En la mquina de Carnot, las expansiones o W compresiones isotrmicas son horizontales y las adiabticas verticales. 3 4 Para representar los ciclos en las mquinas trmicas se utilizan tambin diagramas TS 1 2 22. Entropa (II) Si el sistema es irreversible, la variacin total de entropa el trabajo perdido en las irreversibilidades ser: St Sc Sf W Tf St 23CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO En una mquina de Carnot, mquina reversible, la variacin de entropa es nula; no se vara la entropa del Universo. Toda la entropa que pierde la fuente caliente al ceder calor, la gana el Universo Qc S1-2 Tc St S1-2 S3-4 0 Qf ( S1- 2 S3- 4 ) S3-4 Tf 23. Entropa (III) Una mquina trmica real trabaja entre dos fuentes trmicas de 30C y 500C. En cada ciclo la mquina extrae 350MJ y cede 200MJ a la fuente fra. Determina la variacin total de entropa del Universo en cada ciclo y el trabajo perdido en las irreversibilidades Qh 350MJ Sc 0.45 MJ/K Th 273 500 Qf 200MJ Sf 0.66 MJ/K Tf 273 30 St Sc Sf 0.45MJ/K 0.66MJ/K 0.21 MJ/K 24CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO24. Entropa (IV) ___EJERCICIO___ Una mquina trmica real trabaja entre dos fuentes trmicas de 30C y 500C. En cada ciclo la mquina extrae 350MJ y cede 200MJ a la fuente fra. Determina la variacin total de entropa del Universo en cada ciclo y el trabajo perdido en las irrever25. Entropa (V) ___EJERCICIO___ sibilidades El resultado anterior indica que el Universo aumenta su entropa en 0.21MJ/K mientras que la mquina pierde la misma cantidad de entropa. Esto SIEMPRE PASA en los sistemas irreversibles W Tf St (273 30)K0.21 MJ/K 62.81MJ 25CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO MOTOR TRMICO es una mquina que tiene como misin transformar energa trmica en energa mecnica que sea directamente utilizable para producir trabajo Combustin de ENERGA CALORFICA sustancias COMBUSTIBLES MOTOR DE COMBUSTIN ENERGA MECNICA 26CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO26. Motor trmico 27CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICOTURBOHLICES de la caldera y conductos TURBINAS DE GAS DE CICLO ABIERTO El problema que presentan es que se pierde ms calor del que se genera en las paredes MOTORES DIESEL MOTORES DE EXPLOSIN TURBINAS DE VAPOR MQUINAS DE VAPOR 27. Motor trmico: clasificacin (I) MOTOR TRMICO DE COMBUSTIN MOTOR DE COMBUSTIN MOTOR DE COMBUSTIN EXTERNA INTERNA El calor desprendido al quemarse el La combustin se produce en una cmara combustible es transmitido a un fluido interna del propio motor y son los gases intermedio, el cual produce energa mecnica generados los que causan directamente, por a travs de una mquina alternativa o rotativa expansin, el movimiento de los mecanismos del motor 28. Motor trmico: clasificacin (II) MOTOR TRMICO DE COMBUSTIN MOTOR ALTERNATIVO MOTOR ROTATIVO MOTOR DE CHORRO El fluido de trabajo acta sobre El fluido acta sobre pistones El fluido es el encargado de pistones dotados de movimiento rotantes o sobre turbinas producir el empuje por el alternativo de subida y bajada principio de accin y reaccin 28CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 29. Motor alternativo de combustin externa: MQUINA A VAPOR (I) Mquina de Watt Mquina de Newcomen 29CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 30. Motor alternativo de combustin externa: MQUINA A VAPOR (II) Partes de una mquina a vapor simple 30CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 31. Motor alternativo de combustin externa: MQUINA A VAPOR (III) Detalle de la caja de distribucin FUNCIONAMIENTO 31CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 32. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (I) DIFERENTES PARTES 32CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 33. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (II) 33CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 34. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (III) CICLO DE 4 TIEMPOS Primer tiempo o admisin: El descenso del pistn aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado (MEP) o el aire en motores de encendido por compresin (MEC). La vlvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisin est abierta. En el primer tiempo el cigeal da 180 y el rbol de levas da 90 y la vlvula de admisin se encuentra abierta y su carrera es descendente. Segundo tiempo o compresin: Al llegar al final de carrera inferior, la vlvula de admisin se cierra, comprimindose el gas contenido en la cmara por el ascenso del pistn. En el 2 tiempo el cigeal da 180 y el rbol de levas da 180, y adems ambas vlvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente. 34CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 35. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (IV) CICLO DE 4 TIEMPOS Tercer tiempo o explosin: Al llegar al final de carrera superior el gas ha alcanzado la presin mxima. En los motores de encendido provocado (MEP), salta la chispa en la buja, provocando la inflamacin de la mezcla, mientras que en los motores disel, se inyecta con jeringa el combustible que se autoinflama por la presin y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustin, esta progresa rpidamente incrementando la temperatura en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistn. En este tiempo el cigeal da 180 mientras que el rbol de levas da 90, ambas vlvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente. Esta es la nica fase en la que se obtiene trabajo, que se almacena en forma de energa mecnica mediante un volante de inercia, del cual se toma la necesaria para realizar los otros tres tiempos. 35CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 36. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (V) CICLO DE 4 TIEMPOS Cuarto tiempo o escape: En esta fase el pistn empuja cuidadosamente, en su movimiento ascendente, los gases de la combustin que salen a travs de la vlvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto mximo de carrera superior, se cierra la vlvula de escape y se abre la de admisin, reinicindose el ciclo. En este tiempo el cigeal da 180 y el rbol de levas da 180 y su carrera es ascendente. Al completar el ciclo se habrn producido 4 carreras de pistn y 2 vueltas completas del cigeal. FUNCIONAMIENTO 36CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 37. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 4 TIEMPOS (VI) FUNCIONAMIENTO PARTES Y FUNCIONAMIENTO 37CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 38. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 2 TIEMPOS (I) DIFERENTES PARTES 38CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 39. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 2 TIEMPOS (II) CICLO DE 2 TIEMPOS Fase de admisin-compresin: El pistn se desplaza hacia arriba (la culata) desde su punto muerto inferior, en su recorrido deja abierta la lumbrera de admisin. Mientras la cara superior del pistn realiza la compresin en el cilindro, la cara inferior succiona la mezcla de aire y combustible a travs de la lumbrera. Para que esta operacin sea posible el crter tiene que estar sellado. Fase de potencia-escape: Al llegar el pistn a su punto muerto superior se finaliza la compresin y se provoca la combustin de la mezcla gracias a una chispa elctrica producida por la buja. La expansin de los gases de combustin impulsan con fuerza el pistn que transmite su movimiento al cigeal a travs de la biela. 39CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO 40. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 2 TIEMPOS (III) FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO 40CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO La lubricacin, que en el motor de cuatro tiempos se efecta mediante el crter, en el motor de dos tiempos se consigue mezclando aceite con el combustible. 41CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO El crter del cigeal debe estar sellado y cumple la funcin de cmara de precompresin. En el motor de cuatro tiempos, por el contrario, el crter sirve de depsito de lubricante. La entrada y salida de gases al motor se realiza a travs de las lumbreras (orificios situados en el cilindro). No existen vlvulas que abren y cierran el paso de los gases en los motores de cuatro tiempos. El pistn dependiendo de la posicin que ocupa en el cilindro en cada momento abre o cierra el paso de gases a travs de las lumbreras. Ambas caras del pistn realizan una funcin simultneamente, en el motor de cuatro tiempos nicamente est activa la cara superior. Realiza 2 carreras de pistn (1 vuelta de cigeal), en lugar de 4. 41. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 2 TIEMPOS (IV) DIFERENCIAS CON EL MOTOR DE 4 TIEMPOS Durante la fase de potencia-escape, parte del volumen de mezcla sin quemar (mezcla limpia), se pierde por la lumbrera de escape junto a los gases resultantes de la combustin provocando no solo una prdida de rendimiento, sino ms emisiones contaminantes. 42CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Su rendimiento mecnico es inferior ya que la compresin, en la fase de compresin- admisin, no es enteramente efectiva hasta que el pistn mismo cierra las lumbreras de transferencia y de escape durante su recorrido ascendente. Esta prdida de compresin tambin provoca una prdida de potencia. Este motor consume aceite, ya que la lubricacin se consigue incluyendo una parte de aceite en el combustible. Este aceite penetra con la mezcla en la cmara de combustin y se quema produciendo emisiones contaminantes y suciedad dentro del cilindro que pueden afectar a la buja impiendo el correcto funcionamiento. Pueden operar en cualquier orientacin ya que el crter no almacena el lubricante. Inconvenientes Al producirse una explosin por cada vuelta del cigeal, desarrolla ms potencia para una misma cilindrada y su marcha es ms regular. El motor de dos tiempos no precisa vlvulas de los mecanismos que las gobiernan, por lo tanto es ms liviano y de construccin ms sencilla, por lo que resulta ms econmico. 42. Motor alternativo de combustin interna: MOTOR DE EXPLOSIN DE 2 TIEMPOS (V) VENTAJAS E INCONVENIENTES RESPECTO DEL MOTOR DE 4 TIEMPOS Ventajas El combustible es gasleo. Una mejora sustancial para ambos motores es la sobrealimentacin, que consiste en introducir en los cilindros ms aire y combustible de que aceptan de forma natural. Se aumenta la potencia, o se reduce el tamao del motor para una misma potencia. 43CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO El encendido se produce por la inyeccin de combustible sobre este aire comprimido y caliente, provocando su autoinflamacin. En el tiempo de admisin entra aire en el cilindro que es fuertemente comprimido elevndose su temperatura. Pueden ser de 2 4 tiempos. El combustible es gasolina. MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESIN (MEC) El encendido es por chispa que suministra una buja. El combustible se mezcla con aire en un carburador o mediante un sistema de inyeccin antes de entrar en el cilindro. Pueden ser de 2 4 tiempos. 43. Motor alternativo de combustin interna: MOTORES MEP y MEC MOTOR DE ENCENDIDO PROVOCADO (MEP) Tramo 1-0: Expulsin de los gases. El volumen pasa de V1 a V0 44CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Tramo 4-1: Escape de los gases. Al abrirse la vlvula de escape descienden bruscamente presin y T hasta P1 y T1 Nota.- tiene 6 pasos aunque se produce en 4 con lo que el motor cede calor al exterior. carreras de pistn Tramo 3-4: Expansin adiabtica del 0 1 pistn. Los gases de la combustin se expanden en el cilindro hasta V1 por lo que descienden presin y T (P4 y T4). Tramo 2-3: Explosin y absorcin inmediata de calor. La combustin hace Qc que se aumenten la presin y T de forma instantnea hasta P3 y T3 manteniendo el 2 volumen. Esto hace que se ceda calor del 4 combustible al motor. QF Tramo 1-2: Compresin adiabtica. Disminuye a un volumen V2 con lo que aumenta la presin y T (P2 y T2). 3 Tramo 0-1: Admisin de la mezcla: Se realiza a presin y T constantes, las del exterior. El volumen pasa de V0 a V1 44. Motor alternativo de combustin interna: CICLO TERMODINMICO DE LOS MOTORES MEP (I) CICLO OTTO TERICO (MEP) La diferencia entre estas energas es el trabajo mecnico realizado que se manifiesta en la fase de expansin y provoca que el pistn haga girar al cigeal. En el resto de tramos es ste ltimo quien arrastra al pistn gracias al volante de inercia. El rendimiento terico del ciclo de Otto ser: T4 T1 1 VB OTTO 1 1 donde r T3 T 2 r 1 VA donde es el exponente adiabtico (1.4 en los gases ideales) y r es la relacin entre el volumen barrido por el pistn VB y el volumen de la cmara de combustin VA 45CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Se produce aportacin calrica del combustible al motor y cesin de calor del motor al exterior. Es un ciclo cerrado ya que las condiciones de presin, volumen y temperatura del final son las iniciales. 45. Motor alternativo de combustin interna: CICLO TERMODINMICO DE LOS MOTORES MEP (II) CICLO OTTO TERICO (MEP) Tramo 1-0: Expulsin de los gases. El volumen pasa de V1 a V0 46CONTENIDO TERMODINMICA MOTOR TRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORFICO Tramo 4-1: Cesin de calor. Al abrirse la vl