MAZ-222 Máquinas Térmicas Cap. III SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 3.1. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Para la mejor comprensión los procesos termodinámicos de un MCI se materializan en la transformación energética del Calor en Trabajo, la segunda ley define que: El sentido del flujo de calor entre dos sistemas o sustancias es el de mayor temperatura al de menor temperatura, jamás ala viceversa. La conversión del calor en trabajo está limitada a las temperaturas a la cuales funciona un ciclo, una temperatura máxima a una mínima. La sencillez de este enunciado donde articulan la comprensión del porque no se puede convertir todo el calor generado en la combustión de un MCI, en energía mecánica, este enunciado además sirve para comprender el desarrollo de la naturaleza energética. Analizando la diferencia de temperaturas para que el calor fugue de cualquier sistema o sustancia y no pueda convertirse en forma completa, esto significa que ningún motor de combustión interna por más ideal que sea y que siga el ciclo más perfecto imaginable pueda convertir en trabajo todo el calor suministrado por la combustión en los MCI. Por eso que la segunda ley es marco teórico para el estudio de los ciclos termodinámicos y estos a la vez donde mejor pueda comprenderse, donde un ciclo termodinámico hace posible generar un servicio energético de mejor nivel cualitativo, donde se desarrolla el trabajo en los MCI, a través del calor generado en la combustión, gracias a una secuencia de procesos que definen el ciclo termodinámico. 3.2. DIVERSOS ENUNCIADOS TERMODINÁMICA DE LA SEGUNDA LEY DE LA La idea central de esta segunda ley que tiene varios enunciados, estudiaremos aquellos que tienen afinidad a los fenómenos de transformación energética en los MCI las cuales mencionaremos. Una batería se descarga a través de una resistencia, con desprendimiento de cierta cantidad de energía, lo que no puede suceder al contrario. Página 1 MAZ-222 Máquinas Térmicas El flujo de calor desde una temperatura alta hacia una baja, en ausencia de otros efectos, lo que significa que un cuerpo caliente se enfría al ponerse en contacto con un cuerpo de temperatura inferior, lo que nunca sucede en orden inverso. A T=40ºC B T=10ºC cuerpo caliente cuerpo frió Cuando dos gases se colocan en una cámara aislada, se mezclan uniformemente en toda la cámara, pero una vez mezclados no se separan espontáneamente. Aire + Combustible Ninguna maquina o motor por más ideal que sea, que utilice el ciclo Página 2 MAZ-222 Máquinas Térmicas termodinámico más perfecto imaginable posible, no podrá convertir en trabajo todo el calor suministrado. AIRE + COMBUSTIBLE MCI 3.3. ENTROPÍA La entropía es una magnitud termodinámica, que expresa el grado de desorden de un sistema, particularmente lo que ocurre en el sistema cilindro pistón en un MCI. Esta propiedad se encarga de medir el desorden de un sistema aislado crece en el transcurso de un proceso que se le de forma natural, pero esta energía no puede utilizarse para producir un trabajo. La palabra entropía procede del griego y significa evolución o transformación, esta idea fue plasmada mediante una función ideada por Clausius a partir de un proceso de un ciclo reversible. La entropía como es una propiedad es expresa por la siguiente expresión: S dq T J/º K Donde: ΔS Variación de la entropía [J/º K] dq Cantidad de calor [J] T Temperatura [º K] Para poder calcular las variaciones de la entropía para distintos procesos a volumen constante o a presión constante, entonces tendremos expresiones que involucren. S T mCvdt mCvLn 2 J/º K T T1 Página 3 MAZ-222 Máquinas Térmicas S 3.4. T mCpdt mCpLn 2 J/º K T T1 CONSIDERACIONES DE LA ENTROPÍA La entropía nos da una referencia del grado de ordenamiento interno de la sustancia a través de los procesos lo que significa que un incremento de entropía significa un mayor desorden interno de la sustancia, estas tendencias del desorden de la sustancia está representada energéticamente por el calor, lo que induce a dos afirmaciones: Un ordenamiento interno de las substancias significara una disminución de su entropía. Un desordenamiento interno de las substancias significara un incremento de su entropía. 3.5. CICLO TERMODINÁMICO Un ciclo termodinámico es una serie de procesos durante los cuales el sistema inicia en un estado particular y retorna a su estado inicial luego de una serie de procesos, en los MCI, un ciclo garantiza la producción continua de trabajo, al generar de forma periódica, continua, repetitiva ventajosas para que el calor se pueda convertir en trabajo. Los elementos para definir un ciclo termodinámico son: La sustancia de trabajo, es la encargada de producir las transformaciones energéticas en los MCI, es considerada como la masa gaseosa, [mezcla de aire + combustible]. Una fuente calorífica, que añade calor a la sustancia de trabajo en los MCI, será la combustión generada por la reacción química exotérmica de la sustancia de: Aire + Combustible = Calor = Gases de Combustión 3.6. Un sumidero de calor, donde la sustancia de trabajo rechaza o sede calor, en un MCI en términos prácticos el rechazo de calor se lo realiza por la expulsión de los gases de escape al medio ambiente. Un Motor, compuesto por un sistema de elementos mecánicos, donde la sustancia de trabajo pueda desarrollar trabajo a través del calor generado en la combustión. CICLO CARNOT Este ciclo es el ciclo ideal más perfecto imaginable, esto significa que en este ciclo Página 4 MAZ-222 Máquinas Térmicas se puede obtener la mayor cantidad de trabajo por el calor añadido, esto significa que es un ciclo de más alto rendimiento, pero la inconveniencia radica que este ciclo es prácticamente inviable en los motores de combustión interna, si no es un ciclo de referencia que a partir de sus procesos son tomados como punto de partida para obtener ciclos de alta eficiencia. Como es un ciclo de referencia, puede ser adecuado para que sea la base termodinámica de un motor de cuatro tiempos de desplazamiento alternativo bajo las siguientes idealizaciones: La sustancia de trabajo en todo el ciclo será el aire comportándose como gas ideal. El calor añadido será desarrollado por la combustión por la intervención de la sustancia de trabajo. Para este ciclo los procesos de admisión y escape, son los procesos más característicos de un MCI. p T 3 q3 4 pV cte 3 4 pV k cte W pV k cte q2 3 0 4 q 4 1 0 q 2 pV cte 2 1 1 q1 2 V S Para implementar un motor de cuatro tiempos con base termodinámica del ciclo Carnot será necesario tener: Cilindros idealmente aislados Una fuente caliente a través del cual se agregara calor Un sumidero de calor donde se rechazar calor Una culata intercambiable de aislante perfecto. Procesos 1-2 proceso de compresión a temperatura constante, llamado proceso isotérmico. Página 5 MAZ-222 Máquinas Térmicas 2-3 Proceso de compresión isentrópica, también llamado proceso adiabático. 3-4 Proceso de expansión a temperatura constante llamado proceso isotérmico. 4-1 Proceso de expansión isentrópica, también llamado proceso adiabático. La resolución del ciclo básicamente significa hallar los valores de todas las propiedades y de los estados característicos del ciclo esto significa hallar los valores de las condiciones iníciales y finales de cada proceso de este ciclo. W q q q q W 3.7. 12 W23 W34 W4 1 12 q23 q34 q4 1 1 2 q 34 ( J ) RENDIMIENTO TÉRMICO El rendimiento térmico cuya definición es la relación entre el servicio obtenido del ciclo termodinámico y el gasto invertido para obtener este servicio. En el ciclo planteado, con alta afinidad a un motor de combustión interna, el servicio es el equivalente al trabajo (Potencia) entregado por el motor y el gasto estará íntimamente ligado al calor entregado o generado. nt W 1 qa Esta relación por la importancia de referencia universal que tiene el ciclo de Carnot explica dos recomendaciones fundamentales para obtener de los motores térmicos más altos rendimientos. Entregar calor a las más altas temperaturas posibles. Rechazar calor a las más bajas temperaturas. Otras expresiones del rendimiento térmico en función a los calores y temperaturas: q 1 2 q 3 4 q n 1 1 2 q 34 q 34 q1 2 T1 ( s 2 s1 ) y q 34 T3 ( s 4 s 3 ) s 4 s1 y s 3 s 2 T T n 1 1 n 1 min T3 Tmax w q 1 2 q 3 4 n 3.8. PRESIÓN MEDIA DEL CICLO Es un parámetro referencial que evalúa la capacidad de generar trabajo que tiene un ciclo que tenga procesos no fluyentes, como es el caso de los motores de Página 6 MAZ-222 Máquinas Térmicas combustión interna, significa que altos valores de presión media del ciclo significan altas cantidades de trabajo entregado por el ciclo, bajos valores de la presión media del ciclo poca cantidad de trabajo entregado por el ciclo. La relación que evalúa este parámetro es: pm W N / m2 Vh Página 7 MAZ-222 Máquinas Térmicas Página 8