MAZ-222 Máquinas Térmicas 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 1 MAZ-222 Máquinas Térmicas 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 Página 2 MAZ-222 Máquinas Térmicas 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. Alrededores Alrededores SR Sistema MCI ST Fronteras o Limites Fronteras o Limites 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. Página 3 MAZ-222 Máquinas Térmicas Frontera de la masa de control Pesa PMS Embolo Fluido PMI Fluido Embolo Frontera de la masa de control 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. Tuberia Frontera del volumen de control 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. Página 4 MAZ-222 Máquinas Térmicas 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. Donde: m Kg / m3 V Densidad [Kg/m 3 ] m Masa [ Kg ] V Volumen [m 3 ] El volumen especifico es la inversa de la densidad, es la relación del volumen ocupado por una sustancia entre su masa. Donde: v V 3 m / kg m v Volumen especifico [m 3 / kg ] m Masa [ Kg ] V Volumen [m 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. p F N / m2 A Página 5 MAZ-222 Máquinas Térmicas Donde : p Presión N / m 2 F Fuerza N A Area m 2 Area PMS Presión PMI Cilindro 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 0,653 bar 3700 msnm COSTA 0 msnm 1 bar g Página 6 MAZ-222 Máquinas Térmicas 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: g Patm To' .h .R Po N/m 2 o bar ' To ' T To' º K/m h patm Presión atmosferica local [N/m 2 ] po' Presión normal de nuestras latitudes [1,01325x10 5 N / m 2 ] To' Temperatura normal para nuestras latitudes [293º K] Coeficiente local de la variacion de la temperatura [º K/m] R Constante universal de los gases 287 [J/kgº K] g Aceleracion de la gravedad [m/s 2 ] T Temperatura promediolocal [º K] h Altura sobre el nivel del mar [m] 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 Página 7 MAZ-222 Máquinas Térmicas 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. p ABS patm pman 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: Página 8 MAZ-222 Máquinas Térmicas Punto de ebullición 100 373 212 80 672 ºC ºK ºF ºRE ºR 0 273 32 0 492 Punto de fusión Celsius Kelvin Fahrenheit Reamur Rankine 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 Página 9 MAZ-222 Máquinas Térmicas 3-4 Proceso de expansión conocido como la carrera de trabajo 4-1 Proceso de calor rechazado p 3 qc qa 2 4 0 1 Va Ve qR V Vh Vc PMS PMI 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 p qc qa 3 2 qc qa 3 W 2 4 q R W 4 qR 0 V Va Ve Vc PMS 1 0 1 Vh Va Ve PMI Vc PMS Ciclo Otto de 4 tiempos atmosférico V Vh PMI 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. Página 10 MAZ-222 Máquinas Térmicas 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: 1.3. 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. 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: Donde: q W U [ J ] q Calor transferido [ J ] W Trabajo transferido [ J ] U Variación de la energía [ J ] 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 Página 11 MAZ-222 Máquinas Térmicas (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. m0 1 m0 2 Flujo másico inicial = flujo másico final 0 m 1 = 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.} Mezcla de Aire - Combustible m 01 m0 2 Gases de combustión MCI 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: Donde: m0 m 0 Flujo masico [ kg / s ] m [ kg / s ] t m masa [ kg ] t Tiempo [ s ] 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. m 0 * Caudal [ kg / s ] Caudal A * v [ m 3 / s ] m 0 A v [ kg / s ] Página 12 MAZ-222 Máquinas Térmicas Donde: ρ Densidad del fluido [kg/s] A area o sección transversal del ducto [m 2 ] v Velocidad con que el fluido atravieza el ducto [m/s ] 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. Ek 1 mv 2 [ J ] 2 x x1 x2 Dónde: Ek Ek Energia cinetica[J] v Velocidad[m/s] 1 mv2 [ J ] 2 m Masa[kg] Cuando existe una variación de la velocidad del sistema también existirá una variación de la energía cinética, definida de la siguiente expresión: Donde: Ek ΔEk Variación de la energía cinética[J] 1 2 2 m( v2 v1 )[ J ] 2 v1 Velocidad inicial[m/s] v2 Velocidad final[m/s] m Masa[kg] 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. Página 13 MAZ-222 Máquinas Térmicas mg h Dónde: F Intensidad instantanea de la fuerza que se le aplica [N] dh Variación del desplazamiento [m] h Ep Fdh [ J ] F G mg [ N ] 0 F Cte Dónde: h Ep F dhEp Fh0h Ep F ( h 0 ) Ep Fh Ep Energía potencial [J] m Masa [kg] 0 pero F ma mg Ep mgh [ J ] g Aceleración de la gravedad [m/s 2 ] h Altura [m] La variación de la aceleración local de la gravedad y sobre la superficie de la tierra es pequeña pues oscila entre unos: g 9,83[m/s2 ] Polo g 9,78[m/s2 ] Ecuador g 9,81[m/s2 ] Utilizar para los cálculos termodinámicos Cuando existe una variación de la altura consecuentemente habrá una variación de la energía potencial entonces tendremos: h2 h2 h1 h1 Dónde: Ep Fdh Ep F dh ΔEp Variación de la energía potencial[J] h2 Altura final[m] Ep F ( h2 h1 )[ J ] Ep mg( h2 h1 )[ J ] h1 Altura inicial[m] m Masa[Kg] g Gravedad[m/s 2 ] F Fuerza[N] Página 14 MAZ-222 1.6. Máquinas Térmicas 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. a Temperatura de la sustancia es la energía interna VA VE PMS Energía interna s PMI D Dónde: U Energía interna abs[J] u Energía interna especifica[J/kg] m Masa[Kg] 1 2 mv mgh[ J ] 2 U u [ J / kg ] m U mu[ J ] U g Gravedad[m/s 2 ] h Altura[m] v Velocidad[m/s] 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: H mh[ J ] ó H U pV [ J ] Página 15 MAZ-222 Máquinas Térmicas Donde: H Entalpía abs[J] m Masa[kg] h Entalpía específica[J/kg] U Energía interna[J] p Presión[N/ m 2 ] V Volumen[m3 ] Cuando existe variación de la energía interna, presión y volumen, también existirá una variación de la entalpía lo cual tendremos: H ( U 2 U 1 ) [( p2V2 ) ( p1V1 )][ J ] 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 Donde: W Fd [ J ] W Trabajo[J] F Fuerza[N] d Distancia[m] 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 Página 16 MAZ-222 Máquinas Térmicas 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: dw Fdd F pA dd ds; A d2 4 dw pAds pero Ads dV Entoncesintegrandoambosmienbros tenemos: V2 V2 V1 V1 dw pdVJ w pdV [ J ] Donde: w Trabajo [J] p Presión [N/m 2 ] dV Diferencial de volumen[m 3 ] Para comprender la relación del trabajo SCP en los MCI, está en función a los parámetros característicos como: Vh Volumen del cilindro[m 3 ] Vc Volumen de la camara de combustión[m 3 ] d Diametro del cilindro [m] s Carrera [m] 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. Página 17 MAZ-222 Máquinas Térmicas 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: Donde: P w Ep Ek (W ) t t t P Potencia [W o Kw] t Tiempo [s] ΔEp Variación de la energía potencial [J] ΔEk Variación de la energía cinética [J] 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 f 1 f t MCI de 2 Tiempos f n n 2 f 1 y t f 1 t y t t 120 t n Página 18 60 n 1 f MAZ-222 Máquinas Térmicas Reemplazando esta última expresión de tiempo incluyendo el número de cilindros para evaluar la potencia entregada por el motor en (Kw) tenemos: P wni ( kW ) 120000 P wni ( kW ) 60000 Dónde: P Potencia [Kw] w Trabajo por cilindro ciclo[J/cilindro - ciclo] i Numero de cilindros del motor f Frecuencia de ciclos de trabajo [ciclos/minuto] n Frecuencia de giros del motor [rpm] t Tiempo [s] 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. dq mCet [ J ] t2 dq mCe t t1 Donde: Página 19 t2 [J] q mCe t [ J ] t1 MAZ-222 Máquinas Térmicas q Calor [J] m Masa[Kg] Ce Calor especifico de una sustancia [J/Kgº K] Δt Variación de la temperatura [º K] 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. Página 20 MAZ-222 Máquinas Térmicas Calor (qc) PMS SCP PMI Trabajo (W) 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: Q C7 H 16 11O2 7CO2 8 H 2O 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 Página 21 MAZ-222 Máquinas Térmicas 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. ra c Ra / c * ra / c Ra / c ma mc Donde: ra Relación de aire combustible ideal [Kg a /Kg c ] c Ra Relación de aire combustible real [Kg a /Kg c ] c λ Coeficiente exceso o defecto de aire ma Masa de aire [kg a ] mc Masa de combustible [kg c ] 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 Alcohol Gasolina Diesel Gas ra/c Plena carga Carga parcial Ralentí 10,7 15 16 9 0,8 – 0,9 1,4 – 1,5 1,2 – 1,3 2 - 3,5 0,7 – 0,9 10 - 6 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: qc mc HU [ J ] Página 22 MAZ-222 Máquinas Térmicas 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 Gasolina Diesel Alcohol Gas natural de petróleo Poder Calorífico HU [MJ/kg] 44 42 25,3 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. Cp Cv Exponente isentrópico o adiabático del gas Cp Cv Para un proceso a volumen constante se tiene la siguiente relación: q mCvt [ J ] Para un proceso a presión constante se tiene la siguiente relación: q mCpt [ J ] 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. Página 23 MAZ-222 Máquinas Térmicas Página 24