Realizaremos una descripción de este sistema desde el punto de vista Termodinámico dando primero una muy breve introducción de lo que es un motor de combustión interna.
Son maquinas capaces de convertir la energía calorífica en energía Mecánica, en los motores que utilizamos a diario esta energía proviene de combustibles líquidos lo que produce una transformación de energía química a energía mecánica.
Los hay de combustión externa cuando la combustión se lleva a cabo fuera del fluido activo y los de combustión interna en donde la combustión se realiza en el fluido activo, este fluido esta constituido por una mezcla entre combustible (que puede ser liquido o gaseoso) y el comburente ( que normalmente es el Oxígeno suministrado por el aire), estos motores también reciben el nombre de endotermicos terrestres o atmosféricos.
Existen 4 principales tipos para los motores de combustión interna, estos son:
- El motor de explosión "Ciclo Otto" o motor convencional de gasolina.
- El motor de Diésel.
- La turbina de Gas.
- El motor Rotatorio.
Este tipo de motores son "encendidos por chispa", en ellos el fluido activo se forma en el carburador y entra en el cilindro a través de la válvula para que así la combustión se lleve a cabo al saltar la chispa proveniente de la bujía.
Descripción del sistema utilizando el Lenguaje Termodinámico.
Recordando que el sistema termodinámico a analizar es el motor de un carro, estrictamente un motor convencional de gasolina.
Los motores de ciclo Otto y los motores de Diésel poseen los mismos componentes principales:
- El bloque es una pieza fundida en Hierro o Aluminio que aloja los cilindros de un motor así como los soportes de apoyo para el cigüeñal
- Los cilindros de un motor son el recinto por donde se desplaza un pistón.Su nombre proviene de su forma, aproximadamente un cilindro geométrico.
- La culata, tapa de cilindros, cabeza del motor o tapa del bloque de cilindros es la parte superior en un motor de combustión interna que permite el cierre de las cámaras de combustión.
- Las válvulas de asiento son usadas en muchos motores de pistones para abrir y cerrar las lumbreras de admisión de admisión y de escape en la culata de cilindros. La válvula es usualmente un disco plano de metal con largo vástago que es usado para empujar el disco de metal hacia abajo y abrir la válvula posee un resorte que generalmente se usa para cerrar la válvula cuando no se presiona el vástago. Estas válvulas son utilizadas en muchos procesos industriales, desde controlar el flujo de combustible en cohetes hasta para controlar el paso de leche.
- La bujía es elemento que concede el encendido de la mezcla de combustible y aire en los cilindros mediante una chispa en un motor.
-
Pistón: Se trata de un embolo hecho de Aluminio que se ajusta a las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados "segmentos". Efectua un movimiento alternativo obligando al fluido dentro del cilindro a modificar su presion y volumen, transformando estos cambios en movimiento mecánico. Soportan grandes temperaturas además de velocidades y aceleraciones muy grandes.
Carrera que efectúa el pistón dentro del cilindro.
- Biela, es un elemento mecánico que sometido a esfuerzos de tracción o compresión transmite el movimiento articulado a otras partes de la maquina,en este tipo de motores conectan la biela conecta al motor con el cigüeñal. El material con el que están hechas es una aleación de acero, Titanio ó Aluminio.
En este diagrama de combustión interna la letra "R" señala la biela.
- El cigüeñal o cogoñal es un eje acodado, con codos y contrapesos que convierte el movimiento rectilíneo alternativo de los en circular uniforme y viceversa. Se fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuerzos a los que se ven sometidos, ademas pueden tener perforaciones o conductos para permitir el paso a los lubricantes. En el siguiente gift es posible observar es funcionamiento del cigüeñal.
Estos son todos los elementos mecánicos que permiten al motor la transformación la energía química contenida en el combustible hacía energía mecánica que es utilizada por el automóvil para generar el movimiento en el mismo.
Entonces, la energía química es liberada por la siguiente reacción exotermica sabiendo que la gasolina puede ser considerada como una mezcla de octanos.
C8H18 (l) + 25/2 O2 (g) → 8 CO2 (g) + 9 H2O (g)
ΔHc0= –5,08×103 kJ/mol C8H18
Tomando en cuenta esta reacción se puede llegar a la conclusión de que dentro de nuestro sistema también estará nuestro fluido activo que se encuentra compuesto de gasolina y Oxigeno, además del aire que proporciona al Oxígeno.
Este aire es una mezcla que normalmente se encuentra formado por Oxígeno al 23%, Nitrógeno al 76% y otros gases al 1%
También los gases producto de la reacción de combustión serán tomados como parte del sistema, gases que en una combustión completa resultarían ser sólo Nitrógeno molecular, Dióxido de Carbono y agua, mientras que en una combustión incompleta se producen además de los mencionados Monóxido de Carbono, Hidrocarburos y Óxidos de Nitrógeno.
Número de Componentes.
Estando descritas las partes principales del motor de combustión interna se puede observar que como conclusión el numero total de componentes que forman parte del sistema son 10 (tomando en cuanta que un componente como una identidad que posee características químicas por si misma) :
- El Hierro que constituye al Bloque.
- El Aluminio en Los cilindros, el pistón, la bujía y las válvulas.
- La posible aleación entre el Acero y el Titanio que constituyen la biela.
- La gasolina, tomada en cuenta como una mezcla de Octanos en solución liquida.
- El aire, del cual proviene el oxígeno utilizado para la combustión.
- El Dióxido de Carbono, producto de la quema de los hidrocarburos.
- Agua, residuo también de la combustión en el motor.
Los siguientes elementos considerando que la combustión es incompleta.
- Monóxido de Carbono
- Hidrocarburos
- Óxidos de Nitrógeno.
Numero de Fases.
Tomando como fase a cada una de las partes macroscópicas de una composición química y propiedades homogéneas que forman un sistema (No se debe confundir fase con estado de agregación) tenemos así 5 fases dentro de este sistema, las cuales son:
- La Fase Metálica, compuesta por los metales y aleaciones de los mismos.
- La Fase gaseosa incolora, en donde se encuentra el aire proveniente de la atmósfera, el Dióxido de Carbono resultado de la combustión Algunos Óxidos de Nitrógeno, Monóxido de Carbono, Nitrógeno.
- La Fase Gaseosa Turbia, aquí encontramos algunos residuos de la combustión incompleta, hidrocarburos así como algunos Óxidos de Nitrógeno.
- La Fase liquida incolora en donde se presenta el agua producida en la combustión de la gasolina.
- La fase Liquida Colora donde tenemos a la gasolina como portador de la energía química para el sistema.
Clasificación del sistema.
Por número de fases:
Por contener 5 fases principales dentro del sistema este es clasificado como heterogéneo, no uniforme que presenta distintas propiedades según la porción que se tome, debido a que esta compuesto por mas de 1 fase, las cuales pueden ser distinguidas a simple vista.
Por su interacción con el entorno:
"Un sistema puede interaccionar con su entorno, así también los subsistemas entre si."
En el caso del motor de combustión interna es un Sistema Abierto ínter-actuante con el medio ambiente cediendo gran parte del calor generado en la combustión del combustible así como liberando los gases que quedan como residuo al final del proceso de la combustión.
Clasificación de las Paredes.
Las paredes del motor como un conjunto de todos los elementos ya antes mencionados es una pieza ingenieril llamada "Cárter", técnicamente es una caja metálica que aloja los mecanismos operativos del motor.
El Cárter se presenta aquí como la parte inferior del motor (Azul y gris)
Como se puede apreciar, el cárter no cubre por completo el motor, por lo tanto la parte superior que delimitaría al motor con el exterior del sistema sería la ya antes mencionada "Culata" que sirve como tapa del bloque de cilindros.
Representación sobre como se ve un motor dentro del cofre del automóvil.
Por interacción Mecánica.
Pensando en que esas son las paredes, la clasificación por su interacción mecánica podría ser descrita como de paredes rígidas que no permiten el intercambio directo de materia, ni el cambio de volumen en lo que se encuentra al interior, más si hablamos de los subsistemas también encontramos dentro paredes móviles o émbolos por ejemplo en el caso de los pistones que obligan al fluido activo a cambiar su volumen para así después denotarlo.
Por interacción Térmica:
Por interacción térmica todas las paredes incluyendo las de los subsistemas son consideradas como diatermicas ya que en todas la energía que se produce en forma de calor logra escapar al ser transferida a los alrededores, siendo esto una de las principales causas de la in eficiencia en los motores y maquinas hasta ahora creadas.
Intercambio de Materia con el entorno:
Como se menciona en los puntos anteriores el intercambio de materia con el entorno es llevado a cabo por subsistemas especiales dentro del sistema que están conectados con los exteriores, tal es el caso de las válvulas que controlan la entrada de material hacia las cámaras de combustión, esto en el caso del ingreso de material.
Para la salida de material también existen conductos especiales que desechan los gases generados así como el agua producida en el proceso de combustión.
Mapa Conceptual.
Ecuación de estado.
Para realizar la ecuación de estados nos fijaremos específicamente en el ciclo Otto que realiza nuestro motor de combustión interna para así obtener la energía.
Recordando de una ecuación de estado "Es la relación entre dos o más propiedades termodinámicas."
- Este ciclo se caracteriza por que a primera aproximación todo el calor se transfiere a volumen constante.
- El ciclo Otto de 2 carreras consta de 6 procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico, pero sirven para recargar el fluido activo.
Diagrama PV de los 6 pasos en un ciclo Otto.
Recordando que el sistema termodinámico a analizar es el motor de un carro, estrictamente un motor convencional de gasolina.
Los motores de ciclo Otto y los motores de Diésel poseen los mismos componentes principales:
- El bloque es una pieza fundida en Hierro o Aluminio que aloja los cilindros de un motor así como los soportes de apoyo para el cigüeñal
- Los cilindros de un motor son el recinto por donde se desplaza un pistón.Su nombre proviene de su forma, aproximadamente un cilindro geométrico.
- La culata, tapa de cilindros, cabeza del motor o tapa del bloque de cilindros es la parte superior en un motor de combustión interna que permite el cierre de las cámaras de combustión.
- Las válvulas de asiento son usadas en muchos motores de pistones para abrir y cerrar las lumbreras de admisión de admisión y de escape en la culata de cilindros. La válvula es usualmente un disco plano de metal con largo vástago que es usado para empujar el disco de metal hacia abajo y abrir la válvula posee un resorte que generalmente se usa para cerrar la válvula cuando no se presiona el vástago. Estas válvulas son utilizadas en muchos procesos industriales, desde controlar el flujo de combustible en cohetes hasta para controlar el paso de leche.
- La bujía es elemento que concede el encendido de la mezcla de combustible y aire en los cilindros mediante una chispa en un motor.
- Pistón: Se trata de un embolo hecho de Aluminio que se ajusta a las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados "segmentos". Efectua un movimiento alternativo obligando al fluido dentro del cilindro a modificar su presion y volumen, transformando estos cambios en movimiento mecánico. Soportan grandes temperaturas además de velocidades y aceleraciones muy grandes.
Carrera que efectúa el pistón dentro del cilindro. - Biela, es un elemento mecánico que sometido a esfuerzos de tracción o compresión transmite el movimiento articulado a otras partes de la maquina,en este tipo de motores conectan la biela conecta al motor con el cigüeñal. El material con el que están hechas es una aleación de acero, Titanio ó Aluminio.
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| En este diagrama de combustión interna la letra "R" señala la biela. |
- El cigüeñal o cogoñal es un eje acodado, con codos y contrapesos que convierte el movimiento rectilíneo alternativo de los en circular uniforme y viceversa. Se fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuerzos a los que se ven sometidos, ademas pueden tener perforaciones o conductos para permitir el paso a los lubricantes. En el siguiente gift es posible observar es funcionamiento del cigüeñal.
Estos son todos los elementos mecánicos que permiten al motor la transformación la energía química contenida en el combustible hacía energía mecánica que es utilizada por el automóvil para generar el movimiento en el mismo.
Entonces, la energía química es liberada por la siguiente reacción exotermica sabiendo que la gasolina puede ser considerada como una mezcla de octanos.
C8H18 (l) + 25/2 O2 (g) → 8 CO2 (g) + 9 H2O (g)
ΔHc0= –5,08×103 kJ/mol C8H18
Tomando en cuenta esta reacción se puede llegar a la conclusión de que dentro de nuestro sistema también estará nuestro fluido activo que se encuentra compuesto de gasolina y Oxigeno, además del aire que proporciona al Oxígeno.
Este aire es una mezcla que normalmente se encuentra formado por Oxígeno al 23%, Nitrógeno al 76% y otros gases al 1%
También los gases producto de la reacción de combustión serán tomados como parte del sistema, gases que en una combustión completa resultarían ser sólo Nitrógeno molecular, Dióxido de Carbono y agua, mientras que en una combustión incompleta se producen además de los mencionados Monóxido de Carbono, Hidrocarburos y Óxidos de Nitrógeno.
Número de Componentes.
Estando descritas las partes principales del motor de combustión interna se puede observar que como conclusión el numero total de componentes que forman parte del sistema son 10 (tomando en cuanta que un componente como una identidad que posee características químicas por si misma) :
- El Hierro que constituye al Bloque.
- El Aluminio en Los cilindros, el pistón, la bujía y las válvulas.
- La posible aleación entre el Acero y el Titanio que constituyen la biela.
- La gasolina, tomada en cuenta como una mezcla de Octanos en solución liquida.
- El aire, del cual proviene el oxígeno utilizado para la combustión.
- El Dióxido de Carbono, producto de la quema de los hidrocarburos.
- Agua, residuo también de la combustión en el motor.
- Monóxido de Carbono
- Hidrocarburos
- Óxidos de Nitrógeno.
Numero de Fases.
- La Fase Metálica, compuesta por los metales y aleaciones de los mismos.
- La Fase gaseosa incolora, en donde se encuentra el aire proveniente de la atmósfera, el Dióxido de Carbono resultado de la combustión Algunos Óxidos de Nitrógeno, Monóxido de Carbono, Nitrógeno.
- La Fase Gaseosa Turbia, aquí encontramos algunos residuos de la combustión incompleta, hidrocarburos así como algunos Óxidos de Nitrógeno.
- La Fase liquida incolora en donde se presenta el agua producida en la combustión de la gasolina.
- La fase Liquida Colora donde tenemos a la gasolina como portador de la energía química para el sistema.
Clasificación del sistema.
Por número de fases:
Por contener 5 fases principales dentro del sistema este es clasificado como heterogéneo, no uniforme que presenta distintas propiedades según la porción que se tome, debido a que esta compuesto por mas de 1 fase, las cuales pueden ser distinguidas a simple vista.
Por su interacción con el entorno:
"Un sistema puede interaccionar con su entorno, así también los subsistemas entre si."En el caso del motor de combustión interna es un Sistema Abierto ínter-actuante con el medio ambiente cediendo gran parte del calor generado en la combustión del combustible así como liberando los gases que quedan como residuo al final del proceso de la combustión.
Clasificación de las Paredes.
Las paredes del motor como un conjunto de todos los elementos ya antes mencionados es una pieza ingenieril llamada "Cárter", técnicamente es una caja metálica que aloja los mecanismos operativos del motor.
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| El Cárter se presenta aquí como la parte inferior del motor (Azul y gris) |
Como se puede apreciar, el cárter no cubre por completo el motor, por lo tanto la parte superior que delimitaría al motor con el exterior del sistema sería la ya antes mencionada "Culata" que sirve como tapa del bloque de cilindros.
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| Representación sobre como se ve un motor dentro del cofre del automóvil. |
Por interacción Mecánica.
Pensando en que esas son las paredes, la clasificación por su interacción mecánica podría ser descrita como de paredes rígidas que no permiten el intercambio directo de materia, ni el cambio de volumen en lo que se encuentra al interior, más si hablamos de los subsistemas también encontramos dentro paredes móviles o émbolos por ejemplo en el caso de los pistones que obligan al fluido activo a cambiar su volumen para así después denotarlo.Por interacción Térmica:
Por interacción térmica todas las paredes incluyendo las de los subsistemas son consideradas como diatermicas ya que en todas la energía que se produce en forma de calor logra escapar al ser transferida a los alrededores, siendo esto una de las principales causas de la in eficiencia en los motores y maquinas hasta ahora creadas.
Intercambio de Materia con el entorno:
Como se menciona en los puntos anteriores el intercambio de materia con el entorno es llevado a cabo por subsistemas especiales dentro del sistema que están conectados con los exteriores, tal es el caso de las válvulas que controlan la entrada de material hacia las cámaras de combustión, esto en el caso del ingreso de material.
Para la salida de material también existen conductos especiales que desechan los gases generados así como el agua producida en el proceso de combustión.
Para la salida de material también existen conductos especiales que desechan los gases generados así como el agua producida en el proceso de combustión.
Mapa Conceptual.
Ecuación de estado.
Para realizar la ecuación de estados nos fijaremos específicamente en el ciclo Otto que realiza nuestro motor de combustión interna para así obtener la energía.
Recordando de una ecuación de estado "Es la relación entre dos o más propiedades termodinámicas."
Recordando de una ecuación de estado "Es la relación entre dos o más propiedades termodinámicas."
- Este ciclo se caracteriza por que a primera aproximación todo el calor se transfiere a volumen constante.
- El ciclo Otto de 2 carreras consta de 6 procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico, pero sirven para recargar el fluido activo.
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| Diagrama PV de los 6 pasos en un ciclo Otto. |
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| Diagrama Temperatura- Entropía. |
Proceso 1-2 (Diagrama Temperatura Entropia) y A-B (Diagrama PV)
El pistón se desplaza desde el extremo del cigüeñal para cubrir completamente el cilindro y un gas ideal con el estado inicial 1 se comprime isoentrópicamente al punto 2 del estado, a través de la relación de compresión. Mecánicamente esta es la compresión adiabática de la mezcla de aire / combustible en el cilindro, también conocida como la carrera de compresión. En general, la relación de compresión es de alrededor de 9-10:1 (V1: V2) para un motor típico.
Proceso 2-3 (Diagrama Temperatura Entropia) y B-C (Diagrama PV)
El pistón se encuentra momentáneamente en reposo al tope del cilindro y el calor se añade al fluido de trabajo a volumen constante de una fuente de calor externa que se pone en contacto con la cabeza del cilindro. La presión aumenta y la relación se denomina "relación de explosión". En este instante, la mezcla de aire / combustible se comprime en la parte superior de la carrera de compresión con el volumen esencialmente mantiene constante, también conocida como fase de encendido.
Proceso 3-4 (Diagrama Temperatura Entropia) y C-D (Diagrama PV)
El aumento de la presión alta ejerce una mayor cantidad de fuerza sobre el pistón y lo empuja hacia el punto inferior en el cilindro. La expansión de fluido de trabajo se lleva a cabo isoentrópicamente y el trabajo se realiza por el sistema. La relación de volumen se llama "relación de expansión isoentrópica". Mecánicamente esta es la expansión adiabática de la mezcla gaseosa caliente en la cabeza del cilindro, también conocido como carrera de expansión (potencia).
Proceso 4-1 (Diagrama Temperatura Entropia) y D-A (Diagrama PV)
El pistón se haya momentáneamente en reposo sobre el punto inferior en el cilindro y el calor es rechazado hacia el exterior llevándolo a entrar en contacto con la cabeza del cilindro. El proceso se controla por lo que en ultima instancia, el fluido llega a su estado inicial 1 y el ciclo se ah completado.
El pistón se haya momentáneamente en reposo sobre el punto inferior en el cilindro y el calor es rechazado hacia el exterior llevándolo a entrar en contacto con la cabeza del cilindro. El proceso se controla por lo que en ultima instancia, el fluido llega a su estado inicial 1 y el ciclo se ah completado.
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| Ciclo de 4 pasos que sigue el motor convencional de gasolina. |
Considerando la primera ley de la termodinámica se puede asumir que:
(*Tomando a la "D" como un delta en las ecuaciones.)
(*Tomando a la "D" como un delta en las ecuaciones.)
DE= DU=Qinterior - Wexterior
La eficiencia de el ciclo Otto es el cociente del trabajo Neto y el calor añadido al sistema, pensando en esto.
El trabajo neto se podría expresar como:
(Wtotal/m)=(Q2-3/m)-(Q4-1/m)=(u3-u2-u4+u1)
Y considerando que el calor total añadido al sistema se encuentra sólo en el proceso 2-3
La eficiencia puede escribirse cómo:
"Eficiencia= ((u3-u2)-(u4-u1))/(u3-u2))"
"Eficiencia= (1 - ((u4-u1)/(u3-u2)))"
y Alternativamente como:
"Eficiencia= (1 - ((Calor rechazado/Calor Suministrado)))"
El rendimiento medio de un motor Otto de 4 tiempos es de un 20 a un 30%, siendo este inferior al alcanzado con los motores de Diésel, que llegan a rendimientos hasta del 45%, debido a mecanismos propios de este otro tipo de sistemas.
