Fundamentos de Termodinámica y Motores Térmicos: Ciclo de Carnot y Motores de Combustión

Ciclo de Carnot: Principios y Fases Fundamentales

El ciclo de Carnot es un ciclo teórico, puesto que se supone reversible (esto es, el sistema puede volver a su estado inicial en cualquier momento, pasando siempre por estados de equilibrio); sin embargo, los procesos reversibles no tienen lugar en la naturaleza. Este ciclo establece el rendimiento máximo que puede ofrecer un motor térmico operando entre dos focos de temperatura T1 y T2. Está formado por dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas.

Fases del Ciclo de Carnot:

• 1-2: Expansión Isotérmica

  En esta fase, el gas en el punto 1 está a temperatura T1, ocupa un volumen V1 y está sometido a la presión p1. Se expande, aumentando su volumen hasta V2 y manteniendo su temperatura a T1. Absorbe una cantidad de energía en forma de calor (Q1) y realiza un trabajo contra el exterior.

• 2-3: Expansión Adiabática

  Desde el punto 2, el gas se expande adiabáticamente (esto es, sin intercambio de calor) desde el volumen V2 hasta el volumen V3, y su temperatura disminuye desde T1 hasta T2.

• 3-4: Compresión Isotérmica

  El gas se comprime por la acción de un trabajo exterior hasta reducir su volumen a V4, manteniendo su temperatura constante (T2) y cediendo una cantidad de calor (Q2) al entorno.

• 4-1: Compresión Adiabática

  Finalmente, el gas recupera su posición inicial siguiendo una transformación adiabática en la que su volumen disminuye hasta V1 y su temperatura pasa de T2 a T1.

Tipos de Transformaciones Termodinámicas Esenciales

Las transformaciones termodinámicas describen cómo un sistema cambia de un estado a otro. A continuación, se detallan los tipos fundamentales:

• Isócora

  En este tipo de transformación, el gas evoluciona desde el estado inicial (1) hasta el estado final (2) sin variar de volumen. Como no se produce expansión ni compresión de gas, no se realiza trabajo.

• Isóbara

  En este tipo, el gas evoluciona desde el estado inicial hasta el final sin variar de presión. Se produce una expansión del gas desde el estado inicial hasta el final.

• Isoterma

  En este tipo, el gas evoluciona desde el estado inicial hasta el final sin modificar su temperatura. Cuando un gas pasa del estado inicial al final, se expande y realiza un trabajo. Como la temperatura no ha variado, tampoco lo ha hecho la energía interna (ΔU=0), por lo que, de acuerdo con el primer principio: Q=W.

• Adiabática

  En este tipo, el sistema evoluciona desde el estado inicial hasta el final sin intercambio de calor.

Motores Alternativos: Vocabulario Técnico Fundamental

Para comprender el funcionamiento de los motores alternativos, es crucial familiarizarse con la siguiente terminología:

• Carrera

  Es el desplazamiento que el pistón realiza dentro del cilindro.

• Punto Muerto Superior (PMS)

  El punto más alto que alcanza el pistón en su recorrido.

• Punto Muerto Inferior (PMI)

  El punto más bajo de la carrera del pistón.

• Volumen del Cilindro

  Espacio comprendido entre la culata y el PMI (V1).

• Volumen de la Cámara de Combustión

  Es el espacio comprendido entre la culata y el PMS (V2).

• Cilindrada

  Es el volumen comprendido entre el PMS y el PMI (V1-V2), expresada en cm³. La mayoría de los motores tienen varios cilindros, con lo que la cilindrada total se obtiene como el producto del número de cilindros (z) por la cilindrada unitaria de cada cilindro.

• Relación de Compresión

  Es la relación que existe entre el volumen del cilindro y el volumen de la cámara de combustión (Rc = V1/V2).

Los pistones de los cilindros de los motores están unidos a un mismo cigüeñal. Este se encarga de transmitir el movimiento de giro hacia las ruedas. Las válvulas de admisión y de escape de gases están gobernadas por un árbol de levas que gira, de modo que se abren y se cierran siempre en el momento necesario.

El Motor de Cuatro Tiempos: Descripción Detallada de las Fases

El motor de cuatro tiempos es un tipo común de motor de combustión interna. Sus fases son:

• 1. Admisión (0-1)

  La válvula de admisión se abre y entra la mezcla de aire y combustible en el cilindro. La mezcla empuja y baja el pistón.

• 2. Compresión (Adiabática 1-2)

  Las válvulas de admisión y de escape están cerradas. Sube el pistón y se comprime adiabáticamente la mezcla de combustible y aire.

• 3. Explosión-Expansión

  Se abre la válvula de escape, sube el pistón y se expulsan los gases de la combustión al exterior.