UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO • TEMA EXPERIMENTO DE JOULE CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DE MOTORES • SEMESTRE TERCERO CONTENIDO 1. HISTORIA 2. ENUNCIADOS CUANTITATIVOS DE JOULE 3. EXPERIMENTO DE JOULE 11. MOTOR DE 2 TIEMPOS: CICLO 12. ¿COMO FUNCIONAN LOS MOTORES DE 2 TIEMPOS? 13. PARTES DE LOS MOTORES DE 2 TIEMPOS 4. FÓRMULAS 5. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA 6. CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN REFRIGERADOR 13.1 PARTES FIJAS 14. CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE 2 TIEMPOS 7. FUNCIONAMIENTO 7. CICLO DE REFRIGERACIÓN 15. EL MOTOR DE TRES TIEMPOS 8. CICLO INVERTIDO DE CARNOT 16. ¿QUÉ ES UN MOTOR DE CUATRO TIEMPOS? 9. PROCESOS 17. LOS CUATRO TIEMPOS 10. EL CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRENSIÓN DE VAPOR 18. PARTES DE LOS MOTORES DE 4 TIEMPOS 1. HISTORIA Comenzó en los años cuarenta del siglo XIX James Prescott Joule repetiría los experimentos de Rumford a una escala menor. los repitió durante muchos años, refinando cada vez más sus aparatos y sus técnicas. En todos los casos, cuanto más cuidadoso era más exacta encontraba la proporcionalidad de la cantidad de calor. Joule hacía sus experimentos con agua, como el resto de investigadores de la época, asumía que la proporcionalidad que encontraba entre la cantidad de calor producida, simbolizada por la letra Q (Q es un símbolo habitual para el calor) era igual a la cantidad de agua expresada como su masa, m, multiplicada por el cambio (que se simboliza con la letra griega Δ, delta) de la temperatura, T; con lo que llegaba a la expresión: Q = m·ΔT. Hoy sabemos que la cantidad de calor que corresponde a un determinado cambio de temperatura es diferente para diferentes sustancias. Para tener esto en cuenta en la expresión anterior basta con introducir una constante c, a la llamaremos calor específico de la sustancia en cuestión. Así, la relación entre calor y cambio de temperatura puede escribirse como: Q = m·c·ΔT. La cantidad de calor puede expresarse en una unidad llamada caloría. La caloría se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 g de agua 1 ºC en condiciones estándar. De aquí que el calor específico del agua expresado en calorías sea exactamente 1, es decir, para el agua c = 1 cal /gºC. Por tanto, si estamos hablando en estas unidades, se cumple la relación de Joule: Q = m·ΔT 2. ENUNCIADOS CUANTITATIVOS DE JOULE Todos estos experimentos, algunos repetidos muchas veces con aparatos cada vez mejores, llevaron a Joule a enunciar dos resultados cuantitativos muy importantes en 1849 que, expresados en lenguaje actual, son: La cantidad de calor producida por la fricción de los cuerpos, ya sean sólidos o líquidos, es siempre proporcional a la cantidad de energía gastada. La cantidad de calor (en calorías) capaz de incrementar la temperatura de 1 kg de agua en 1 ºC requiere el cambio en la energía mecánica representada por la caída de 1 m de un peso de 4.180 N (newtons) La primera afirmación de Joule es la prueba de que el calor es una forma de energía, en contra de la teoría del calórico de que el calor es un fluido. La segunda da la magnitud numérica de la proporción que había encontrado entre energía mecánica y su energía térmica equivalente. Esta proporción entre energía mecánica, E, y la cantidad equivalente de energía térmica, Q, se llama habitualmente equivalente mecánico del calor. A principios de del siglo XX su valor numérico quedaría establecido en 4,186 J/cal (julios, la unidad de energía, por caloría). 3. EXPERIMENTO DE JOULE En el siglo XIX, Joule ideo un experimento para demostrar que el calor no era mas que una forma de energía, y que se podía obtener a partir de la energía mecánica. Dicho experimento se le conoce como Experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor. En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía (Joule) y la unidad de calor (Caloría). Al recipiente se le acoplan unas paletas conectadas mediante una cuerda con una masa que puede caer. Conforme la masa cae a velocidad constante, las paletas giran, por lo que se convierte la energía potencial gravitatoria de la masa en energía para hacer girar las paletas. Debido a este giro, el agua aumenta de temperatura (el giro de las paletas se transforma en calor). Lo que encontró Joule fue que, para elevar la temperatura del kilogramo de agua hasta 15.5ºC (es decir, para conseguir una energía de 1000 calorías), la energía potencial de la masa debía disminuir en 4180 Julios. Por tanto, la equivalencia entre unidades de calor y energía es: 4. FORMULAS Joule realizó su experimento utilizando una masa de agua 𝑀𝑎 a una temperatura inicial 𝑇0 , cuyo calor específico es 1 cal/ºC g, se calienta hasta una temperatura final 𝑇𝑓 cuando unas paletas agitan el baño. El calor necesario Q es: 𝑸 = 𝑴𝒂 𝑪𝒆 𝑻𝒇 − 𝑻𝑶 𝑪𝒂𝒍 Para mover esta paletas se aprovecha la energía mecánica de una masa 𝑀𝑝1 , que cae desde una altura h, mediante un hilo que acciona del 𝐸𝑝 movimiento de giro. La energía mecánica implicada es energía potencial que se libera es: 𝑬𝒑 = 𝑴𝒑 𝒈𝒉 (Joul) Joule demuestra mediante esta experimentación que entre ambas formas de energía existe una relación constante: el equivalente mecánico del calor: Q / 𝑬𝒑 = equivalente mecánico del calor EXPERIMENTO DE JOULE 5. Primer principio de la termodinámica Hemos visto que el calor no es más que una forma de energía: "Equivalente mecánico del calor" Descubierto por Joule Experimento de Joule: Sistema aislado El trabajo y el calor son formas de energía intercambiables El agua se encuentra en un recinto de paredes aislantes, para evitar la transmisión de calor. Si el rozamiento es despreciable, el trabajo realizado por las paletas en el agua (igual a la pérdida de energía potencial de las pesas) produce un cambio de temperatura en el sistema: Ese incremento de temperatura no depende de la forma en que se haya suministrado el trabajo al sistema. La misma cantidad de trabajo produce siempre el mismo incremento de temperatura, si el sistema está térmicamente aislado Esto se puede expresar (por la conservación de la energía) como: Donde U es la energía interna del sistema, que representa la suma de energías de las moléculas que lo componen. Pero el sistema podría no estar aislado. Térmicamente: Si el sistema no está aislado (si tiene paredes conductoras), además de trabajo, puede recibir o perder calor del/al exterior. En este caso, la conservación de la energía se expresaría de forma más general como: La energía interna del sistema se incrementa con Q y/o W recibidos del exterior, (y disminuye aportando Q y/o W al exterior). CRITERIOS DE SIGNOS Cuando se le da Q al sistema = U ¿Quién lo aporta? ¿Quién lo aporta? El exterior Y lo gana el sistema, para incrementar la EK de las moléculas. ¿Quién lo pierde? ¿Quién lo pierde? El sistema Pierde energía, a costa de la energía cinética de sus moléculas. ΔU = Q, si el sistema sólo intercambia Q con el exterior (sistema mecánicamente aislado). 6. CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN REFRIGERADOR Existen múltiples aplicaciones de los estudios del calor. Una de ellas es la invención del refrigerador. El refrigerador es una máquina térmica que nos beneficia directamente. Su función principal es la de mantener los alimentos en buenas condiciones por más tiempo Su funcionamiento se basa en tomar calor de la parte de baja temperatura y lo expulsa al exterior, obviamente empleando una fuente de energía, en este caso, la eléctrica. La mayoría de los refrigeradores poseen un proceso cíclico de compresión y descompresión de un gas para así extraer calor de la parte interior y sacarlo a través de la rejilla de la parte posterior que se denomina condensador. Para controlar este sistema, los refrigeradores poseen un termostato. 7. FUNCIONAMIENTO Para comprender cómo funciona un refrigerador es necesario saber que naturalmente, el calor fluye de un sistema de alta temperatura a uno de menor temperatura. Por lo tanto, lo que debe hacer un refrigerador es el proceso opuesto. Las partes principales del ciclo de refrigeración son las siguientes: EVAPORADOR. Esta es la parte que “absorbe el calor”, con la ayuda del refrigerante en estado gaseoso. COMPRESOR. Funciona usando un motor y su función es comprimir el refrigerante, es decir, reducir su volumen, con lo que disminuye su temperatura también. CONDENSADOR. Su función es hacer que el refrigerante se condense, es decir, pase a su estado líquido. VÁLVULA DE EXPANSIÓN. La válvula de expansión reduce la presión sobre el refrigerante líquido. 7. CICLO DE REFRIGERACIÓN Coeficiente de desempeño (COP) COP de refrigerador COP de bomba de calor Comparando 1 y 2 8. CICLO INVERTIDO DE CARNOT El ciclo de Carnot es un ciclo totalmente reversible Está compuesto de dos procesos isotérmicos reversibles y de dos procesos isentrópicos. Puesto que es un ciclo reversible, los cuatro procesos que comprende el ciclo de Carnot pueden invertirse. Al hacerlo también se invertirán las direcciones de cualquier interacción de calor y de trabajo 9. PROCESOS Proceso 1-2: El refrigerante absorbe calor isotérmicamente de una fuente a baja temperatura a TL en la cantidad QL. Proceso 2-3: Se comprime isentropicamente hasta el estado 3 (la temperatura se eleva hasta TH). Proceso 3-4: Rechazo de calor isotérmicamente en un sumidero de alta temperatura a TH en la cantidad QH. Proceso 4-1: Se expande isentropicamente hasta el estado 1 (la temperatura desciende hasta TL). Los coeficientes de desempeño de los refrigeradores y de las bombas de calor de Carnot en términos son 10. EL CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRENSIÓN DE VAPOR Aspectos imprácticos del ciclo invertido de Carnot pueden ser eliminados, como por ejemplo: Al evaporar el refrigerante por completo antes de que se comprima. Al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una válvula de expansión o un tubo capilar. Se compone de 4 procesos: Proceso 1-2: Compresión isentrópica en un compresor. Proceso 2-3: Rechazo de calor a presión constante en el condensador. Proceso 3-4: Estrangulamiento en un dispositivo de expansión. Proceso 4-1: Absorción de calor a presión constante en el evaporador Los tubos en el compartimiento del congelador, donde el calor es absorbido, sirven como EVAPORADOR. Los serpentines detrás del refrigerador, donde el calor se disipa, sirven como CONDENSADOR. Otro diagrama utilizado en el análisis de este ciclo es el diagrama P-H. Considerando: El Ciclo es un dispositivo de flujo estacionario. Ep y Ec son pequeños (ignora) La ecuación de energía 11. MOTOR DE 2 TIEMPOS: CICLO El motor de 2 tiempos también conocido como motor de ciclo de Otto, por su inventor, ingeniero alemán Nicolaus August Otto, que diseñó el motor de combustión interna junto con Etienne Lenoir. Se trata de un motor de combustión interna que realiza las cuatro fases del ciclo termodinámico (admisión – compresión – explosión – escape) en 2 movimientos lineales del pistón, o una vuelta completa del cigüeñal, diferenciándose del motor de 4 tiempos en que éste lo realiza en 4 movimientos de pistón, o 2 vueltas de cigüeñal. La gran diferencia entre los motores de 2 y 4 tiempos, es que en el motor de 4 tiempos se produce 1 explosión por cada 2 vueltas de cigüeñal, por 1 explosión en cada vuelta de cigüeñal en el de 2 tiempos. La gran ventaja del motor de 2 tiempos es que esta diferencia produce mayor potencia de salida del cigüeñal, la gran desventaja es un mayor consumo de combustible. FASE ADMISIÓN – COMPRESIÓN FASE EXPLOSIÓN – ESCAPE 12. ¿COMO FUNCIONAN LOS MOTORES DE 2 TIEMPOS? En un motor de 2 tiempos el intercambio gaseoso es dirigido por el pistón y no por las válvulas como ocurre en el de 4 tiempos. En su movimiento, el pistón cambia el estado de compresión del cárter y del cilindro para completar el ciclo. Primer tiempo En este primer tiempo se producen la compresión y la aspiración. El pistón en su movimiento ascendente comprime la mezcla aire/combustible y aceite, crea un vacío dentro del cárter que, al finalizar la carrera del pistón, deja libre una lumbrera de admisión o de pre admisión que llena el cárter con la mezcla carburante. Segundo tiempo El proceso de explosión y el escape de gases suceden en el segundo tiempo. Por medio de una chispa que provoca la bujía, la mezcla comprimida se enciende y crea una explosión. La presión empuja con fuerza el pistón hacia abajo. Dentro del cárter, la mezcla se pre comprime por el pistón descendente. En el momento indicado, el pistón libera la lumbrera o el canal de escape en el cilindro por el cual salen los gases de escape. Luego se libera la lumbrera de carga que conecta el cilindro con el cárter, de manera que la mezcla pasa llenando el cilindro y liberando los restos de gases de escape. Así queda listo el cilindro para comenzar nuevamente el ciclo. 13. PARTES DE LOS MOTORES DE 2 TIEMPOS En un motor de 2 tiempos hay componentes similares al de cuatro tiempos, sin embargo el número de piezas es más reducido. Por ello este tipo de motor es más sencillo. 13.1 PARTES FIJAS Cilindro: Esta es una cavidad sumamente importante del motor junto al cárter. Es de forma cilíndrica y dentro se moviliza el pistón. Por la parte de arriba lo cubre la culata y por la parte de arriba, el cárter. En este están presentes las lumbreras que permiten el intercambio gaseoso y las cámaras o alteas de agua para mantener la regeneración Cárter: Es una cámara donde se encuentra el cigüeñal y la biela, En casi todos los casos, es la cavidad que activa el intercambio gaseoso. Culata: Es la que cubre el cilindro y contiene la cámara de combustión. Junto al cilindro se forma la cámara estancada por el pistón. Puede que tanto la culata como el cilindro estén fundidos en una sola pieza al fabricarse. 14. CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE 2 TIEMPOS Al igual que el motor de 4 tiempos, el motor de 2 tiempos realiza un ciclo termodinámico con cuatro fases. Estas son: Admisión, compresión, combustión y escape. Trabaja de tal forma que solo requiere de dos carreras del pistón o una vuelta del cigüeñal para funcionar. En el motor de 2 tiempos hay una explosión cada dos vueltas efectuadas por el cigüeñal, de manera que con la misma cilindrada se produce más potencia, pero también más consumo del combustible. Se usa por lo general en vehículos pequeños o fuera de borda. El cárter no almacena el lubricante. Para mantener lubricadas las piezas se agrega el aceite al combustible. Los motores Diésel de ciclo Otto pueden ser de 2 tiempos. 15. EL MOTOR DE TRES TIEMPOS Los tipos de motores de combustión interna alternativos conforman un conocimiento básico que puede considerarse como "cultura general". Popularmente conocidos como motores de explosión, especialmente en el conductor medio, es bien sabido que se clasifican por la forma de provocar la ignición, diésel o gasolina, y según la forma de renovar la carga, ya sea en un ciclo de cuatro tiempos o de dos tiempos. Estas afirmaciones contrastadas y aprobadas por mecánicos e ingenieros nos llevan a pensar que únicamente existen motores de explosión de dos y cuatro tiempos, es decir, que el motor de tres tiempos no existe. Dicha frase lapidaria ha inducido a mecánicos a la locura, debido a su búsqueda de dicho motor y posterior aceptación. Muchas personas han intentado construirlo, se han encontrado planos secretos que describen el motor, eliminando en la medida de lo posible el último paso, y modificándolo a partir de un motor de cuatro tiempos. MOTOR DE 3 TIEMPOS DETALLE DEL FUNCIONAMIENTO DE LO QUE PRETENDE SER UN MOTOR DE TRES TIEMPOS. Pero esto no es suficiente. El ciclo se sigue completando en cuatro carreras de émbolo y dos vueltas de cigüeñal, como uno de cuatro tiempos. Visto lo visto, puede decirse que a día de hoy no tenemos tecnología suficiente para construir un motor de tres tiempos. Hasta entonces, el motor de tres tiempos no existe. 16. ¿QUÉ ES UN MOTOR DE CUATRO TIEMPOS? Este tipo de funcionamiento es el que comúnmente predomina en los motores que operan con gasolina -también en los que operan con diesel- y significa que el auto utiliza un motor con ciclo de combustión de cuatro tiempos que son: admisión, compresión, explosión (o también ignición) y escape. Este funcionamiento es el que permite que una mezcla de gasolina y de aire se conviertan en movimiento para el auto. El motor de cuatro tiempos fue creado por Nikolaus Otto en 1867 (por ende también se lo conoce como motor Otto) y se compone de un cilindro, una biela, un cigüeñal, por lo menos dos válvulas, una bujía y otros elementos que hacen posible el trabajo coordinado del motor. 17. Los cuatro tiempos son: Admisión: el pistón desciende, se abre la válvula de admisión y esto permite el ingreso de la mezcla de aire y gasolina al cilindro. Mientras tanto, la válvula de escape está cerrada. Compresión: el pistón asciende y la válvula de admisión se cierra. Debido a que el escape también continúa cerrado, el pistón comprime la mezcla de aire y combustible. Explosión: El pistón alcanza el máximo de su recorrido. Entonces la bujía produce una chispa eléctrica que da paso a la explosión, por lo que el pistón es impulsado hacia abajo. Escape: El pistón nuevamente sube, pero la válvula de escape ya no se encuentra cerrada: esta se abre para permitir la salida de los gases quemados. 18. PARTES DE LOS MOTORES DE 4 TIEMPOS Las partes de los motores que operan con un ciclo termodinámico de cuatro tiempos pueden variar dependiendo del tipo. Por ejemplo, los motores diésel difieren en su forma de encendido con los motores de explosión. Mientras uno enciende por compresión, el otro lo hace por medio de una chispa que provoca ignición. Sin embargo, hay partes que son comunes en ambos caos. Cilindros: Son unos orificios por los que se mueven los pistones arriba y abajo. Su volumen interno o capacidad útil es conocida como cilindrada. Válvulas: El cilindro posee dos válvulas que se empelan para regular la entrada y la salida de combustible. Árbol de levas: Es una estructura que se impulsa por acción de una cadena. Las levas giran y permiten abrir o cerrar las válvulas de admisión y de escape en intervalos programados. Pistón: Es una estructura que se mueve dentro del cilindro de forma rectilínea, hacia arriba y hacia abajo. Comprime la mezcla para que pueda producirse la combustión. La presión generada en la explosión es lo que mueve el pistón hacia abajo nuevamente. El pistón se une a la biela por medio de un pivote. Cigüeñal: Se conecta con la biela por medio de la manivela. Este gira para producir el movimiento ascendente y descendente del pistón. Trabaja sincronizada mente con el árbol de levas. Transmisión: El mecanismo de trasmisión se compone por una serie de engranajes que se encargan de la velocidad rotativa del cigüeñal. La transmisión se conecta al embrague y hace que el diente de la cadena haga un giro de forma inversa. Jala la cadena y causa que la rueda gire.
