Transformaciones Termodinámicas y Máquinas Térmicas: Ciclos, Motores y Refrigeración

Transformaciones de un sistema (gráfica P-V)

Transformaciones termodinámicas

• Isócora (v = cte)
• Isobara (P = cte)
• Isoterma (T = cte)
• Adiabática (Q = 0)

Ciclo de Carnot

Es reversible y funciona cíclicamente.

ΔS = 0

Relación entre calores y temperaturas en procesos reversibles: Q2/T2 = Q1/T1

Motores térmicos

Definición: Son dispositivos que, funcionando periódicamente, transforman calor en trabajo.

Máquinas térmicas

Clasificación según el lugar de combustión:

• De combustión externa
  • Movimiento alternativo (máquina de vapor)
  • Movimiento rotativo (turbina de vapor)
• De combustión interna
  • Movimiento alternativo (motor gasolina y diésel)
  • Movimiento rotativo (turbina de gas)

Máquinas de vapor: P = p·s·LF

Motores de combustión interna

Motores de encendido provocado (MEP) — Ciclo Otto

1. 1.º tiempo: Admisión (0–1) — Baja el pistón, se abre la válvula de admisión y entra combustible y aire.
2. 2.º tiempo: Compresión (1–2) — Sube el pistón, se cierran las válvulas y se comprime la mezcla.
3. 3.º tiempo: Explosión (2–3) y expansión (3–4) — Con la mezcla en máxima compresión, salta la chispa en la bujía; la mezcla explota y empuja el pistón hacia abajo.
4. 4.º tiempo: Escape (4–1) y preparación (1–0) — Se abre la válvula de escape y, al subir el pistón, se expulsan los gases procedentes de la combustión.

Motores de explosión de 2 tiempos

1.º tiempo: El pistón está en PMS (punto muerto superior), la mezcla se inflama y los gases de la combustión se expanden hasta que el pistón deja al descubierto la lumbrera de escape (libera gases quemados). Mientras el pistón baja, se comprime el fluido y se abre la lumbrera de transferencia, donde el fluido barre los gases hacia la lumbrera de escape.

2.º tiempo: El pistón, desde PMI (punto muerto inferior), completa el barrido y la admisión hasta que se cierran las lumbreras de admisión y de escape, comenzando la compresión del gas que se completa al llegar al PMS (se quema el combustible). La lumbrera de admisión queda abierta y a través de ella penetra fluido en el cilindro.

Motores de combustión (MEC) — Encendido por compresión (motores Diésel)

En los motores diésel no existe carburador ni sistema de encendido eléctrico.

1. Admisión de aire puro (0–1) — Admisión de aire a presión atmosférica.
2. Compresión adiabática (1–2) — El aire se comprime hasta altas presiones y temperaturas.
3. Inyección y combustión (2–3) — Se inyecta gasóleo a alta presión que se autoignifica por la temperatura del aire comprimido.
4. Expansión adiabática (3–4) — Durante la expansión, el gas realiza trabajo; la inyección finaliza aproximadamente en la décima parte del recorrido del pistón.
5. Escape (4–1) — Cuando el émbolo alcanza el PMI, se abre la válvula de escape y la presión desciende.
6. Expulsión (1–0) — Expulsión de gases.

Sobrealimentación

Definición: Es un sistema para incrementar la potencia de los motores de combustión interna. Consiste en aumentar la cantidad de mezcla o de aire admitida en el cilindro. La sobrealimentación se consigue elevando la presión del aire o de la mezcla de combustible a la entrada del cilindro.

Máquinas frigoríficas

Máquina frigorífica de Carnot

Su funcionamiento es el del ciclo de Carnot, pero con el recorrido inverso (ciclo inverso).

• Condensador: foco caliente, a la temperatura T1.
• Evaporador: foco frío, a la temperatura T2.
• Compresor: eleva la presión y la temperatura del fluido evaporado.
• Expansor o turbina: el líquido disminuye su presión y temperatura.

Etapas del ciclo

1. El compresor, movido por un motor, aumenta la presión y la temperatura del fluido.
2. El fluido llega al condensador, donde se enfría y se licúa, cediendo calor al medio exterior durante el proceso.
3. En el expansor el líquido enfriado se expande adiabáticamente, disminuyendo su presión y temperatura y vaporizándose parcialmente.
4. El fluido llega al evaporador, donde se vaporiza casi por completo y absorbe calor del foco frío.

Máquinas frigoríficas de compresión mecánica

Diferencias con el ciclo de Carnot:

• La compresión suele verificarse en la región de sobrecalentamiento (A'B') porque es imposible que la evaporación termine exactamente en A del ciclo ideal de Carnot.
• El líquido condensado se somete a subenfriamiento (C C') antes de expandirse.
• Al sustituir la turbina por una válvula de estrangulamiento o laminación se consigue ahorro en equipo y mantenimiento.