cáp. i primera ley de la termodinamica 1.1....

MAZ-222 Máquinas Térmicas

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Cáp. I

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

1.1. DEFINICION DE LA TERMODINAMICA

La Termodinámica es una herramienta analítica teórica y práctica que

interpreta fenómenos naturales relacionados con la materia y energía. La

palabra “Termodinámica” fue usada por vez primera en 1850 por W. Thomson

(Lord Kelvin) como combinación de los vocablos griegos que significa “termo”

(calor) y “dinamys” que significa (potencia o fuerza).

En el estudio del campo automotriz la termodinámica estudia las

transformaciones energéticas de la sustancia de trabajo, esto permite explicar

de cómo se transforma la Energía química (Calor) del combustible en Energía

mecánica (Trabajo), (AIRE + COMBUSTIBLE GASES DE

COMBUSTION), lo que da lugar a la definición de los motores de combustión

interna que son considerados como maquinas térmicas.

Transformaciones energéticas de los MCI

Una maquina térmica está compuesto por un sistema de elementos mecánicos,

que intervienen las sustancias termodinámicos de trabajo lo cual permiten,

TRANSFORMAR EL CALOR GENERADO EN LA COMBUSTION EN

TRABAJO MECANICO.

El calor en los MCI, es el resultado de un proceso de reacción química

exotérmico con un desprendimiento de calor, entre la sustancia,

COMBUSTIBLE normalmente liquida o gaseosa y el OXIGENO de aire.

El trabajo es la consecuencia del desplazamiento del pistón en forma

longitudinal, que es empujado por los gases de escape debido al proceso de

combustión, este desplazamiento lineal del pistón por medio de las bielas pasa

al cigüeñal, luego al sistema de transmisión lo que da lugar al movimiento del

automóvil.


Página 2

Transformaciones energéticas de los MCI

Dentro del estudio es importante realizar el análisis con relación entre la

MECÁNICA y la TERMODINÁMICA, el estudio de la mecánica se basa en

conceptos de fuerza, masa, distancia y tiempo, mientras en el estudio de la

termodinámica es interesante observar los cambios que un sistema experimenta

cuando se efectúan varios procesos, lo cual se quiere tener el éxito en la

descripción de los procesos que el sistema puede experimentar, de esta forma la

termodinámica estudia la energía y sus transformaciones.

1.2. PROPIEDADES TERMODINAMICAS

1.2.1. SUSTANCIA DE TRABAJO

La sustancia de trabajo en los MCI, está relacionado con la mezcla del aire +

combustible, estas sustancias sufren cambios de estructura molecular, en una

transformación energética:

AIRE + COMBUSTIBLE GASES DE COMBUSTIÓN

Durante este proceso la energía puede ser almacenada y luego retirada,

entonces la sustancia de trabajo sufre una transformación energética del

CALOR en TRABAJO, es la encargada de como:

Acumular el calor generado por el proceso de combustión para luego

traspasarlo en forma de energía mecánica al sistema mecánico.

Rechazar en forma de calor al sistema de refrigeración.

Evaluar la pérdida de calor al medio ambiente por la expulsión de los

gases de escape.

1.2.2. SISTEMA

Sistema es una porción del universo, llamado como objeto de estudio, un

sistema es una región restringida, no necesariamente de volumen constante, ni


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fija en el espacio, en donde puede estudiar la transferencia y transmisión de

masa y energía.

Todo sistema queda limitado por un contorno o alrededores, paredes, fronteras

o límites del sistema, definidos arbitrariamente, lo cual nos permiten analizar

problemas termodinámicos de los MCI. También se dice que el sistema es la

región en el cual deben ser estudiados las transferencias de la masa y la

energía.

Sistema

MCISTSR

Fronteras

o Limites

Fronteras

o Limites

Alrededores Alrededores

Sistema: parte del Universo objeto de estudio.

Alrededores: porción del Universo que no se va a estudiar, pero que

puede interaccionar con el sistema.

Límites o fronteras: separación real o imaginaria entre el sistema y los

alrededores.

De acuerdo a la figura que representa es un artificio comúnmente usado para

poder concentrar y someter a análisis todos los eventos termodinámicos en un

determinado sistema, además tomando en consideración que tanto la masa

como la energía puede ser añadida al sistema, estará enmarcado a la superficie

imaginaria que lo circunda y que se llama limite, todas las transferencias de

masa y energía son valorizados y evaluados en el límite.

En función de los límites, un sistema puede ser:

Cerrado. Es una región de masa constante, a través de sus límites sólo se

permite la transferencia de energía, se denomina masa de control.


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Fluido

Pesa

Embolo

Frontera de la

masa de control

PMS

PMI

Fluido

Frontera de la

masa de control

Embolo

Abierto. En un sistema que es posible la transferencia de masa y de energía a

través de sus límites, la masa contenida en él no es necesariamente constante,

que se denomina volumen de control, la superficie limitante, que por lo menos

en parte debe ser permeable o imaginaria, se llama superficie de control.

Frontera del volumen

de control

Tuberia

Aislado: Este sistema no puede transferir materia ni energía con el medio

rodeante, el universo en su totalidad se puede considerar como un sistema

aislado.

Se denomina fase a cierta cantidad de materia, homogénea en composición

química y estructura física. Un sistema que contiene una sola fase se denomina

homogéneo, y si consta de dos o más fases es un sistema heterogéneo. Una fase

puede estar compuesta de una sustancia pura o de varios componentes.

1.2.3. PROPIEDAD, ESTADO

Propiedad es cualquier magnitud física evaluable de un sistema.

También las propiedades son una calidad del sistema y como consecuencia,

algún cambio en el sistema (cambio de estado), significara un cambio de alguna

de sus propiedades de una determinada sustancia.


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En el estudio de la termodinámica existen dos tipos de propiedades que se

clasifican:

Propiedades extensivas. Son aquellas que dependen del tamaño, masa o de la

magnitud del sistema, Ej. Volumen (V), masa (m), energía (E), área (A), son los

valores por unidad de masa.

Propiedades intensivas o potenciales. Se definen en un punto, que son aquellos

independientes del tamaño, masa o magnitud del sistema Ej. Presión (p),

temperatura (T), viscosidad (vi), altura (h), velocidad (v), son los factores que

pueden ocasionar un cambio de estado.

El estado de un sistema está definido por el conjunto de propiedades

(temperatura, presión, composición, otros) que caracteriza este sistema,

entonces es el cambio de un sistema a otro sistema.

1.2.4. DENSIDAD - VOLUMEN ESPECIFICO

La densidad expresa la relación entre la masa y el volumen de una cantidad de

sustancia.

3m/KgV

m

][m VolumenV

]Kg[Masam

][Kg/m Densidad

:Donde

3

3

El volumen especifico es la inversa de la densidad, es la relación del volumen

ocupado por una sustancia entre su masa.

kg/mm

Vv 3

][m VolumenV

]Kg[Masam

]kg/[m especifico Volumen v

:Donde

3

3

1.2.5. PRESIÓN

La presión se define como la fuerza compresiva normal por unidad de superficie

(esfuerzo normal de compresión), ejercida por un fluido sobre una superficie real

o imaginaria.

2m/N A

Fp


Página 6

2

2

m AreaA

N FuerzaF

m/N Presiónp

:Donde

PMS

PMI

Cilindro

Presión

Area

Presión desarrollada en el SCP

La presión es una propiedad muy característica en el funcionamiento de los MCI,

tiene definiciones adicionales que permiten precisar mejor su concepto y su

aplicación, como parámetro fundamental para evaluar los procesos en los MCI.

Existen distintas presiones que se pueden considerar tal como:

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

La presión atmosférica es el peso que ejerce el aire sobre la superficie terrestre, es

uno de los principales actores de la meteorología, que tiene un gran poder de

influencia sobre la vida en la tierra.

ALTIPLANO

COSTA

0 msnm

3700 msnm

0,653 bar

g

1 bar


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A mayor hsnm menor es la Patm.

A menor hsnm mayor Patm.

A mayor hsnm menor ρ del aire.

A menor hsnm mayor ρ del aire.

A mayor hsnm menor Kg. de aire por unidad de volumen.

A menor hsnm mayor Kg de aire por unidad de volumen.

La presión atmosférica es la presión ejercida por el aire en cualquier punto de la

atmósfera, que está rodeada por una gruesa capa de aire, donde las capas

superiores comprimen a las capas inferiores en función al campo gravitacional

terrestre.

Las presiones atmosféricas son tan determinantes en el comportamiento de los

MCI esto hace que nuestro país tiene zonas desde los 200 msnm hasta los 4200

msnm, esto hace que varié la presión atmosférica de acuerdo a la hsnm, para

poder determinar esta presión atmosférica se tiene la siguiente relación:

bar o N/m To

h.ToPP 2

R.

g

'

''

oatm

K/mº

h

ToT '

[m] mar del nivel el sobreAltura h

K][º local promedio aTemperatur T

][m/s gravedad la de nAceleracio g

K][J/kgº 287 gases los de universal Constante R

K/m][º atemperatur la de variacion la de local eCoeficient

K] [293º latitudes nuestras para normal aTemperatur T

]m/N0[1,01325x1 latitudes nuestras de normal Presión p

][N/m local aatmosferic Presión p

2

'

o

25'

o

2

atm

PRESIÓN MANOMÉTRICA

La presión manométrica es la medible con un manómetro en un recinto cerrado,

es decir es la presión que se obtiene mediante la lectura de un instrumento llamado

manómetro, los cuales suelen ofrecer dos tipos de mediciones presiones de

depresión que suelen ser valores negativos y presiones de sobre presión valores


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positivos.

PRESIÓN ABSOLUTA

Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero

absolutos. Es el resultado de la presión atmosférica mas la presión manométrica,

esta presión se utiliza como parámetro referencial para realizar los cálculos

termodinámica en los MCI.

manatmABSppp

1.2.6. TEMPERATURA

Este parámetro está asociado con la actividad molecular, es decir denota el nivel

energético de un cuerpo, es su estado térmico considerando con referencia a su

posibilidad de transmitir calor a los cuerpos. Un medidor natural es el sentido del

tacto, las escalas de temperaturas han establecido asignando los números mayores

a los estados térmicos superiores, son los que producen sensación de más calientes

y estableciendo números menores para los estados térmicos inferiores de los

cuerpos fríos.

Como fenómeno energético la temperatura es la calidad con la cual una cantidad

de calor puede pasar de un sistema a otro, ambos y juntos hacen el hecho de

transferencia energética (calor), pero no son una misma cosa el uno es la

condición (Temp.) y el otro el (hecho).

Para la resolución de los problemas termodinámicos es imprescindible usar

escalas de temperaturas como:


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Punto de ebullición

Punto de fusión

Celsius Kelvin Fahrenheit Reamur Rankine

ºC ºK ºF ºRE ºR

0

100

273

373

32

212

0

80

492

672

La temperatura para los procesos y los cálculos termodinámicos se utilizara las

TEMPERATURAS ABSOLUTAS EN OK, la temperatura y el calor son dos

térmicos que denotan conceptos diferentes.

1.2.7. LEY CERO

Este enunciado es un postulado de la termodinámica conocido como la ley cero, es

un enunciado basado en la experiencia corriente, esta ley es importante en la

termometría y en el establecimiento de las escalas empíricas de temperatura.

Sistema 1

a T1

Sistema 2

a T2

Sistema 3

a T3

Termometro

De acuerdo a la figura, se muestra la aplicación de la ley cero a la medida de las

temperatura, los sistemas 1 y 2 se encuentran a las temperaturas T1 y T2

respectivamente, si T1=T3 y T2=T3 cuando el sistema 3 se pone en contacto

térmico con los sistemas independientemente, entonces T1=T2, es decir los sistemas

1 y 2 se encontrara inmediatamente en equilibrio térmico al ponerlos en contacto.

1.2.8. PROCESOS

El proceso en realidad es una secuencia de cambios de estado transitorio entre un

estado inicial y final en un sistema.

0-1 Proceso de admisión a presión atmosférica constante

1-2 Proceso de compresión

2-3 Proceso de combustión a volumen constante


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3-4 Proceso de expansión conocido como la carrera de trabajo

4-1 Proceso de calor rechazado

p

V

1

2

3

0

ac qq

VcVh

PMIPMS

Va

Ve

Rq4

1.2.9. CICLOS

El ciclo termodinámico no es más que un encadenamiento de varios procesos que

tiene como principio y final un mismo estado.

p

V

1

2

3

4

0

ac qq

Rq

VcVh

PMIPMS

Va

Ve

W

p

V

1

2 3

4

0

ac qq

Rq

VcVh

PMIPMS

Va

Ve

W

Ciclo Otto de 4 tiempos atmosférico Ciclo Diesel de 4 tiempos atmosférico

Un sistema experimenta un proceso, cuando se verifica un cambio de estado. El

cambio de estado puede conseguirse por distintos procesos.


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Proceso cíclico, es cuando el sistema a través de una serie de cambios de estado,

finalmente vuelve a su estado inicial.

Proceso reversible, es un proceso cuasiestático, que puede ser llevado de nuevo al

estado inicial, pasando por los mismos estados intermedios que el proceso directo,

sin que al final, ni en el sistema, ni en el medio rodeante, quede ningún efecto

residual que pueda revelar que se ha verificado el proceso. Para que esto último

suceda, no debe haber rozamientos ni deformaciones, lo que se llaman efectos

disipativos. Por último, adelantaremos, que no habrá degradación de la energía y

por ello ninguna generación o producción de entropía.

Proceso irreversible, son los procesos reales, en ellos siempre habrá degradación

de energía y generación de entropía. Pueden ser de dos tipos:

Cuando se verifiquen por cambios no estáticos (procesos de igualación),

tengan o no efectos disipativos.

Cuando haya efectos disipativos, aunque se verifiquen a través de cambios

cuasiestáticos.

1.3. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Conocido también como el Primer Principio de la Termodinámica coincide

esencialmente con el principio de conservación de energía, esta es una definición

simple de tal manera que la energía no puede ser creada ni destruida, esta energía

se debe conservar sufriendo solo transformaciones de una forma a otra, este

principio establece que el resultado neto del calor en trabajo será una

transformación de energía del sistema.

La ecuación general de la energía es una expresión algebraica y una cantidad

escalar que solamente tiene un sentido y una magnitud de la primera ley establece:

]J[UWq

Donde:

]J[ energía la de VariaciónU

]J[ otransferid TrabajoW

]J[ otransferid Calorq

1.3.1. CONSERVACIÓN DE LA MASA

Como el primer principio de la termodinámica se define como la conservación de

la energía, dentro de los motores de combustión interna se produce esta

conservación de la masa, por el fenómeno de la reacción química exotérmico

producido por el proceso de combustión en los MCI, es un fenómeno donde la

masa de carga fresca admitida en el proceso de admisión (mezcla de Aire –

Combustible), permanece constante antes y después del proceso de combustión


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(Gases de combustión), lo cual hace que los sistemas de los MCI sean

consideración como sistemas conservativos estables y continuos de masa, lo cual

se define con la siguiente expresión.

2m1m 00

Flujo másico inicial = flujo másico final

m01 = cantidad de masa por unidad de tiempo que ingresa a los MCI {aire +

comb}.

m02= Cantidad de masa por unidad de tiempo que sale de un MCI {gases de

escape, CO2, H20, CO, NO, etc.}

MCI

10m20m

Mezcla de

Aire - Combustible

Gases de

combustión

Sistemas conservativos de la sustancia de trabajo en los MCI

En los MCI, la transformación energética del calor en trabajo interviene la

substancia de trabajo en los procesos de admisión y combustión, donde son

evaluadas las masas que están ingresando y saliendo del sistema, mediante la

siguiente expresión:

]s/kg[t

mm0

Donde:

]s[ Tiempot

]kg[ masam

]s/kg[ masico Flujom0

Como las sustancias de trabajo que entra y sale en los MCI, para poder evaluar

existen algunas relaciones más específicas, en función a parámetros de la

densidad, caudal y velocidad de flujo.

]s/kg[ v A m

]s/m[ v*ACaudal

]s/kg[ Caudal*m

0

3

0


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Donde:

][m/s ducto el atravieza fluido el que con Velocidadv

][m ducto del ltransversa seccióno areaA

[kg/s] fluido del Densidadρ

2

1.4. ENERGIA CINETICA

La energía cinética es la que posee un cuerpo o un sistema, bajo el resultado del

desplazamiento de un sistema debido a la acción de una fuerza y de la velocidad

con que lleva.

x

x1 x2

]J[mvE k2

2

1

]J[mv2

1Ek 2

Dónde:

Masa[kg]m

m/s]Velocidad[v

]cinetica[J EnergiaEk

Cuando existe una variación de la velocidad del sistema también existirá una

variación de la energía cinética, definida de la siguiente expresión:

]J)[vv(m2

1Ek

2

1

2

2

Donde:

Masa[kg]m

final[m/s] Velocidadv

s]inicial[m/ Velocidadv

]cinética[J energía la de VariaciónΔEk

2

1

1.5. ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL

La energía potencial es la energía de la masa en función de su posición en el

campo gravitacional terrestre, es decir la energía está asociada con la altura del

fluido o masa.


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mg h

]N[ mgGF ]J[ FdhEp

h

0

Dónde:

[m] entodesplazami del Variacióndh

[N] aplica le seque

fuerza la de ainstantane IntensidadF

]J[ mghEp

mgmaF pero

FhEp )0h(FEpFhEpdhFEp

CteF

h

0

h

0

Dónde:

[m] Alturah

][m/s gravedad la de nAceleracióg

[kg] Masam

[J] potencial EnergíaEp

2

La variación de la aceleración local de la gravedad y sobre la superficie de la

tierra es pequeña pues oscila entre unos:

icostermodinám cálculos los para Utilizar]9,81[m/sg

Ecuador]9,78[m/sg

Polo]9,83[m/sg

2

2

2

Cuando existe una variación de la altura consecuentemente habrá una variación

de la energía potencial entonces tendremos:

]J)[hh(mgEp

]J)[hh(FEp

dhFEpFdhEp

12

12

2h

1h

2h

1h

Dónde:

Fuerza[N]F

]/sGravedad[mg

Masa[Kg]m

inicial[m] Alturah

final[m] Alturah

J]potencial[ energía la de VariaciónΔEp

2

1

2


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1.6. ENERGÍA INTERNA (U)

La energía interna en los MCI está asociada a la estructura molecular de la

substancia liquida o gaseosa, entonces la energía interna es la suma de la energía

potencial + la energía cinética de las dos moléculas de la substancia de trabajo

(AIRE + COMBUSTIBLE), esta suma de las energías está basado

específicamente en función a la temperatura.

interna energía la es sustanciala de aTemperatura

D

s

VA VE

PMS

PMI

Energía

interna

]J[muU

]kg/J[m

Uu

]J[mghmv2

1U 2

Dónde:

m/s]Velocidad[v

Altura[m]h

]/sGravedad[mg

Masa[Kg]m

[J/kg]especifica interna Energíau

abs[J] interna EnergíaU

2

1.7. ENTALPÍA (H)

La entalpía es una propiedad termodinámica, que esta expresado en relación a

funciones puntuales como la energía interna, presión, volumen, esta propiedad de

substancia es muy usada en procesos de transformación energética desarrollada

en los MCI.

Entonces la entalpía está definida como:

]J[pVUH ó ]J[mhH


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Donde:

]Volumen[mV

]mPresión[N/p

interna[J] EnergíaU

[J/kg]específica Entalpíah

Masa[kg]m

abs[J] EntalpíaH

3

2

Cuando existe variación de la energía interna, presión y volumen, también existirá

una variación de la entalpía lo cual tendremos:

]J)][Vp()Vp[()UU(H112212

1.8. TRABAJO (W)

El trabajo es la energía transferida a través de los límites del sistema, se lo conoce

como la ENERGÍA MECÁNICA, para que exista trabajo tiene que haber una

fuerza que actúe sobre un cuerpo al cual moverá, el trabajo es representado

mediante la siguiente grafica donde:

F

d

]J[dFW

Donde:

m]Distancia[d

Fuerza[N]F

Trabajo[J]W

El trabajo es la energía de servicio más representativo de un MCI y probablemente

es la forma de energía de la cual se tiene mejor percepción intuitiva.

Tomando en cuenta cuando tenemos una determinada carga de una ciudad a otra

significa que el trabajo lo realiza el MCI, a través de las transformaciones

energéticas, con los parámetros como la presión, volumen de la cámara de

combustión, volumen del cilindro, carrera, diámetro, etc. Que son tan

característicos del sistema donde se origina y se produce este trabajo (Sistema

Cilindro Pistón = SCP).

Desarrollar una relación del SCP en un MCI, tiene características generales


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como:

Es un sistema no fluyente

La presión es un parámetro variable característico de la generación.

La presión varía en función del desplazamiento del pistón (volumen

desplazado)

El trabajo está en función a la Fuerza = Presión, Distancia = Carrera, la

variabilidad de la presión con el desplazamiento del volumen, el trabajo se

define como:

2

1

2

1

V

V

V

V

2

]J[pdVw JpdVdw

:tenemos

mienbros ambos integrando Entonces

dVAds pero pAdsdw

d4

A ;dsdd pAF

Fdddw

Donde:

][m volumen de lDiferenciadV

][N/m Presiónp

[J] Trabajow

3

2

Para comprender la relación del trabajo SCP en los MCI, está en función a los

parámetros característicos como:

[m] Carreras

[m] cilindro del Diametrod

][m combustión de camara la de VolumenVc

]cilindro[m del VolumenVh

3

3

En las transformaciones energéticas que se van desarrollando en los MCI, existen

los signos para el trabajo y el calor:

Trabajo

Cuando su valor numérico del trabajo es positivo significara que el sistema está

entregando o generando trabajo.


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Cuando su valor numérico del trabajo es negativo significara que el sistema está

recibiendo o consumiendo trabajo.

1.9. POTENCIA (P)

La potencia obtenida de un MCI es llamada comúnmente la potencia de caballos

producidos, la potencia desarrollada sobre el embolo del motor es la potencia

desarrollada al quemarse el combustible y el aire son formas de transformaciones

energéticas desarrolladas en una unidad de tiempo, entonces la potencia se refiere

a la energía mecánica, será entonces la velocidad con que se entrega trabajo.

A mayores velocidades de entrega de trabajo mayores potencias.

Para las energías cinética y potencial la potencia es la velocidad con que se

producen las variaciones de estas energías por lo tanto se tiene:

)W(t

Ek

t

Ep

t

wP

Donde:

[J] cinética energía la de VariaciónΔEk

[J] potencial energía la de VariaciónΔEp

[s] Tiempot

Kw] o [W PotenciaP

Tomando como punto de partida de este parámetro, la potencia para los MCI se

puede desarrollar una expresión que pueda involucrar específicamente a los MCI,

donde la velocidad de entrega de trabajo está en función a los giros del motor

(r.p.m.), y la cantidad de trabajo está en función del número de cilindros con los

ciclos de trabajo.

El trabajo puede ser evaluado a través del cilindro y un ciclo de trabajo, pero para

un MCI la frecuencia de ciclos de trabajo está en función de la frecuencia de giros

y el número de vueltas que se requiere para completar un ciclo.

Entonces tendremos:

MCI de 4 Tiempos

2

nf

f

t y t

f11

n

t 120

MCI de 2 Tiempos

nf

ft y

tf

11

nt

60


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Reemplazando esta última expresión de tiempo incluyendo el número de cilindros

para evaluar la potencia entregada por el motor en (Kw) tenemos:

)kW(120000

wniP )kW(

60000

wniP

Dónde:

[s] Tiempot

[rpm] motor del giros de Frecuencian

nuto][ciclos/mi trabajo de ciclos de Frecuenciaf

motor del cilindros de Numeroi

ciclo] - lindrociclo[J/cicilindro por Trabajow

[Kw] PotenciaP

Estas relaciones desarrolladas son las fundamentales de este tema pues van a

condicionar la estructura de un desarrollo teórico que apunte a generar como dato

los trabajos de los ciclos termodinámicos de los MCI.

1.10. CALOR (q)

El calor es energía transferida a través de los limites de un sistema debido a la

diferencia de temperaturas entre él y los alrededores, considérese el sistema

perfectamente aislado de los alrededores el térmico calor es aplicable en esta

situación, porque la energía de este sistema es Cte. Por lo tanto el calor es un

término reservado para la transferencia de energía entre sistemas y alrededores en

donde el factor director (potencial) es una diferencia de temperatura, bajo esta

definición el calor es la energía interna de un cuerpo.

La calorimetría tiene por objeto la medición de las cantidades de calor de un

cuerpo o un sistema de cuerpos reciben o entregan en un determinado proceso.

El calor nos establece que la cantidad de calor recibida o cedida por un cuerpo es

igual al producto de su masa por la variación de la temperatura, por el calor

específico del cuerpo entre los estados térmicos considerados, esta fórmula

constituye la ecuación fundamental del calor.

]J[ tmCeq ]J[ tmCedq ]J[ tmCedq2

1

2

1

t

t

t

t

Donde:


Página 20

K][º atemperatur la de VariaciónΔt

K][J/Kgº a sustanciuna de especifico CalorCe

Masa[Kg]m

[J] Calorq

Dentro de la tecnología de los MCI existen dos perspectivas para evaluar las

cantidades del calor:

Cuando se genera calor a través de la combustión.

Cuando una sustancia es la encargada de recibir o rechazar calor.

Signos convencionales del calor

Cuando su valor numérico del calor es positivo significara que el sistema

está recibiendo calor.

Cuando su valor numérico del calor es negativo significara que el sistema

está entregando calor.

1.10.1. CALOR GENERADO EN LA COMBUSTIÓN (qc)

La combustión es el proceso de reacción química (oxidación), mediante el cual se

desarrolla el calor que luego es transformado a través de un MCI en energía

mecánica o trabajo.

Esquemáticamente la combustión es una reacción química donde.

AIRE + COMBUSTIBLE = q = GASES DE COMBUSTION

La combustión en el motor depende de que la llama formada en la bujía, para los

motores a gasolina, por la reacción química entre el combustible y el oxigeno.

Mientras para los motores diesel dependerá de la elevada presión de compresión y

temperatura se producirá el auto combustión gracias a la inyección del

combustible. Reacción que libera energía con la consiguiente elevación de

temperatura. Si se toma que la mezcla teóricamente correcta es químicamente más

reactiva y no siendo las mezclas reales enteramente homogéneas, una mezcla

ligeramente rica en combustible estará mejor dotada para la reacción química.


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PMS

PMISCP

Trabajo

(W)

Calor (qc)

Calor generado por la combustión en el SCP

Por tanto queda claro que para desarrollar combustión de por si no basta el

combustible, sino que también el aire, para desarrollar una combustión completa

se habla del poder calorífico del combustible (HU), necesita una cantidad definida

de aire (ra/c) que se calcula a partir de plantear la ecuación química del

combustible mas el oxigeno de aire.

Gasolina formula orgánica:

OH8CO7O11HC22

Q

2167

De esta fórmula igualada se podrá sacar la cantidad de oxigeno y luego calcular

el aire necesario para la combustión completa de este compuesto equivalente a la

gasolina:

100 Kg/kmol Comb.--------------352 Kg / kmol Oxigeno

1 “ “ --------------- X “ “

3,52 Kg de oxigeno para quemar 1 Kg de combustible.

Como el oxigeno a través de la gravedad significa el 23,1 % de aire atmosférico se

tendrá.

1 Kg de aire atm---------------------0,231 Kg de oxigeno

X “ “ “ --------------------3,52 “ “

15.23 Kg de aire para quemar 1 Kg de combustible

En base a este parámetro se defina la relación de la mezcla de aire combustible

teórica, que no es más que una cantidad necesaria para que la combustión de un 1


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Kg de combustible sea completa.

La relación de aire combustible (r a/c) se define: Como la cantidad de masa del

aire sobre la cantidad de masa de combustible.

c/ac

aR

r

mc

mar*R c/ac/a

Donde:

][kg ecombustibl de Masamc

][kg aire de Masama

aire de defecto o exceso eCoeficientλ

]/Kg[Kg real ecombustibl aire de RelaciónR

]/Kg[Kg ideal ecombustibl aire de Relaciónr

c

a

cac

a

cac

a

El coeficiente de exceso de aire / defecto de aire, en condiciones reales de

funcionamiento de los MCI, no mantienen un valor constante si no varían en

función de las características de combustión y del régimen de funcionamiento de

los motores diesel o gasolina.

Tablas de la relación de aire combustible y variación de coeficiente exceso /

defecto de aire.

COMBUSTIBL

E

ra/c Plena carga

Carga parcial

Ralentí

Alcohol 10,7

Gasolina 15 0,8 – 0,9 1,2 – 1,3 0,7 – 0,9

Diesel 16 1,4 – 1,5 2 - 3,5 10 - 6

Gas 9

Si 1 defecto de aire o carga rica en combustible

Si 1 exceso de aire o carga pobre en combustible.

La cantidad de calor generado por la COMBUSTIÓN completa de un combustible

liquido, gaseoso o sólido, cuando existe la provisión de aire necesario, está dada

en función del Poder Calorífico, normalmente inferior; propiedad característica de

cada combustible. La relación que permite calcular el calor generado en la

combustión de un combustible líquido o sólido es:

]J[HUmqcc


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Donde:

qc = Calor ó Energía calorífica generada en la combustión (J)

m = Masa de combustible que se quema (Kg)

HU = Poder calorífico del combustible (J/Kg)

Valores referenciales del poder calorífico del combustible

Combustible Poder Calorífico HU [MJ/kg]

Gasolina 44

Diesel 42

Alcohol 25,3

Gas natural de petróleo 38 aproximadamente

1.10.2. CALOR ESPECIFICO DE LOS GASES

Es la energía térmica necesaria para efectuar el cambio de fase de una sustancia,

a temperatura constante. Entonces el calor específico se define como la capacidad

calorífica de la unidad de masa, que equivale también a la cantidad de calor que

es necesario suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su

temperatura en un grado.

Para poder desarrollar la teoría de los calores específicos de los gases, se

implementa una serie de relaciones para el análisis de las transformaciones

energéticas en los ciclos termodinámicos de las sustancias gaseosas, entonces se

definen calores específicos a presión constante y a volumen constante,

representados ambos por [Cp y Cv] dependientes ambos de la temperatura.

Cv

Cp

Exponente isentrópico o adiabático del gas

CvCp

Para un proceso a volumen constante se tiene la siguiente relación:

]J[ tmCvq

Para un proceso a presión constante se tiene la siguiente relación:

]J[ tmCpq

Estas propiedades de las sustancias gaseosas son el punto de referencia para

estructurar relaciones que estén relacionados con las propiedades energéticas más

importantes, que servirán para cualquier proceso.


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cáp. i primera ley de la termodinamica 1.1....

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