Fundamentos de Termodinámica y Motores de Combustión Interna

Fundamentos de Termodinámica

Ecuación fundamental de transferencia de calor: Q = m · c · ΔT

Procesos Termodinámicos

• Isoterma: Temperatura (T) constante.
• Adiabática: Transferencia de calor (Q) igual a 0.

Principios de la Termodinámica

• Primer Principio: La energía interna (ΔU) de un sistema cambia cuando se le añade calor (Q) o se realiza trabajo (W) sobre él. La relación es Q = W + ΔU.
• Proceso reversible: El sentido se puede revertir sin más que modificar ligeramente las condiciones externas, quedando el sistema siempre en equilibrio.
• Ciclo cerrado: Si el sistema regresa a su estado inicial. En un ciclo cerrado, ΔU = 0, por lo tanto, Q = W.
• Segundo Principio: Para que se pueda obtener trabajo (W) a partir del calor (Q), es necesario que parte del calor pase de un foco caliente a un foco frío.

Máquinas Térmicas

• Motor Térmico: Transforma calor en trabajo. Su eficiencia (η) se calcula como η = W / Qc = (Qc - Qf) / Qc = 1 - Qf/Qc. Si es ideal (Ciclo de Carnot), η = 1 - Tf/Tc. (Recibe calor Qc del foco caliente, cede calor Qf al foco frío, produce trabajo W).
• Máquina Frigorífica: Transfiere calor de un foco frío a uno caliente consumiendo trabajo. Su coeficiente de desempeño (ε) se calcula como ε = Qf / W = Qf / (Qc - Qf). Si es ideal (Ciclo de Carnot), ε = Tf / (Tc - Tf). (Consume trabajo W, extrae calor Qf del foco frío, cede calor Qc al foco caliente).

Ciclo de Carnot

La eficiencia (η) del Ciclo de Carnot solo depende de las temperaturas absolutas de los focos caliente (Tc) y frío (Tf).

Motores de Combustión Interna

Motor de Gasolina

Partes Principales

• Válvulas: La de admisión permite la entrada de la mezcla aire-combustible y la de escape permite la salida de los gases de combustión.
• Cilindros: Cavidades en el bloque donde se realiza la combustión.
• Bloque: Contiene los cilindros y sirve de soporte para diversos componentes.
• Pistón: Se mueve dentro del cilindro y transforma la energía térmica de la combustión en energía mecánica de traslación.
• Volante: Acumula energía cinética de rotación en ciertas fases del ciclo y la libera en otras para mantener un movimiento continuo.
• Cárter: Protege la parte inferior del motor y actúa como depósito de lubricante.
• Inyector: Introduce la gasolina en el cilindro (anteriormente se usaba carburador).

Ciclo de Otto de 4 Tiempos

Describe el funcionamiento de la mayoría de los motores de gasolina:

1. Admisión: El pistón desciende desde el PMS (Punto Muerto Superior), creando vacío. La válvula de admisión se abre y aspira la mezcla aire-combustible.
2. Compresión: La válvula de admisión se cierra al llegar el pistón al PMI (Punto Muerto Inferior). El pistón asciende, comprimiendo la mezcla hasta el PMS.
3. Combustión y Expansión: Poco antes del PMS, la bujía enciende la mezcla. La combustión rápida aumenta la presión y temperatura, empujando el pistón hacia abajo y produciendo trabajo.
4. Escape: Al llegar el pistón al PMI, la válvula de escape se abre. El pistón asciende, expulsando los gases quemados al exterior. Al llegar al PMS, la válvula de escape se cierra y la de admisión se abre para iniciar un nuevo ciclo.

La eficiencia ideal del Ciclo de Otto se calcula como η = 1 - 1/R^(γ-1), donde R = V_PMS / V_PMI es la relación de compresión y γ es el índice adiabático.

Ciclo de Otto de 2 Tiempos

Un ciclo de trabajo se completa en dos movimientos del pistón:

1. Primer Tiempo (Expansión y Escape): El pistón alcanza el PMS, se inflama la mezcla. Los gases se expanden, empujando el pistón hacia el PMI. Al final de la carrera, el pistón descubre la lumbrera de escape, permitiendo la salida de los gases.
2. Segundo Tiempo (Admisión y Compresión): El pistón asciende desde el PMI. Al inicio, descubre la lumbrera de admisión, permitiendo la entrada de nueva mezcla. A medida que sube, cierra ambas lumbreras y comienza a comprimir la mezcla hasta alcanzar el PMS, donde se inicia la combustión.

Motor Diésel

El motor Diésel funciona de manera similar al de gasolina, pero con diferencias clave:

• Admite solo aire puro en la admisión.
• Comprime el aire a una presión y temperatura mucho mayores.
• El combustible (gasóleo) se inyecta directamente en la cámara de combustión al final de la compresión, autoencendiéndose por la alta temperatura del aire.
• La expansión de los gases empuja el pistón.

Comparativa Otto vs. Diésel

La temperatura máxima en ambos ciclos (Otto y Diésel) suele tener lugar en el punto 3 del diagrama P-V. Generalmente, el motor Diésel produce mayor trabajo por ciclo y tiene un rendimiento térmico superior al del motor Otto, especialmente a cargas parciales.