TERMODINAMICA
MOTORES DE CUATRO TIEMPOS
TERMODINÁMICA
OBJETIVO
El objetivo es que el estudiante o persona decidida a investigar temas sobre termodinámica tenga habilidad y pericia necesaria para aplicar los conceptos básicos de calor y termodinámica a problemas prácticos que involucren sistemas en donde se transfiera energía térmica.
ALCANCE
El alcance de este trabajo es que el estudiante pueda obtener los conocimientos para el desarrollo de el tema en ciclos superiores, para lo cual el desarrollo de este trabajo le brindara conocimientos previos. Otro de sus alcances es que pueda practicar lenguaje de programación mediante la programación de las diferentes formulas propuestas en el desarrollo del trabajo.
El calor en física se refiere a la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.
La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas.
Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y (en el caso de un gas) su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas.
A manera de conclusión: la temperatura es una propiedad física de la materia que mide el grado de calor que un cuerpo posee.
1.2 Escalas para medir la temperatura
Una de las primeras escalas de temperatura, todavía empleada en los países anglosajones, fue diseñada por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Según esta escala, a la presión atmosférica normal, el punto de solidificación del agua (y de fusión del hielo) es de 32 ° F, y su punto de ebullición es de 212 ° F. La escala centígrada o Celsius, ideada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en casi todo el mundo, asigna un valor de 0 ° C al punto de congelación del agua y de 100 ° C a su punto de fusión. En ciencia, la escala más empleada es la escala absoluta o Kelvin, inventada por el matemático y físico británico William Thomson, Lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que está situado en – 273,15 ° C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala centígrada.
La existencia de diferentes escalas termométricas hace necesario conocer las relaciones entre ellas:
Donde:
º C: grados centígrados
º F: grados Fahrenheit
º R: grados Rankine
Para transformar grados centígrados a grados
Para transformar grados Fahrenheit a grados centígrados se usa la siguiente expresión:
Para transformar grados centígrados a grados Kelvin se usa la siguiente expresión:
Para transformar grados Fahrenheit a grados Rankine se usa la siguiente expresión:
Para realizar conversiones que involucren incrementos de temperatura, se emplea:
1,8 º F = 1 º C
1,8 R = 1 K
1,8 R = 1 K
1 º F = 1 R
1 º C = 1 K
1.3 Termodinámica
Es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden tratarse por medio de la termodinámica.
1.3 Efecto de la temperatura sobre la materia.
La temperatura desempeña un importante para determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos. Así, las aves y los mamíferos necesitan un rango muy limitado de temperatura corporal para poder sobrevivir, y tienen que estar protegidos de temperaturas extremas.
Las especies acuáticas sólo pueden existir dentro de un estrecho rango de temperaturas del agua, diferente según las especies. Por ejemplo, un aumento de sólo unos grados en la temperatura de un río como resultado del calor desprendido por una central eléctrica puede provocar la contaminación del agua y matar a la mayoría de los peces originarios.
Los cambios de temperatura también afectan de forma importante a las propiedades de todos los materiales. A temperaturas árticas, por ejemplo, el acero se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente, y los líquidos se solidifican o se hacen muy viscosos, ofreciendo una elevada resistencia por rozamiento al flujo. A temperaturas próximas al cero absoluto, muchos presentan características sorprendentemente diferentes. A temperaturas elevadas, los materiales sólidos se licuan o se convierten en gases; los compuestos químicos se separan en sus componentes.
La temperatura de la atmósfera se ve muy influida tanto por las zonas de tierra como de mar. En enero, por ejemplo, las grandes masas de tierra del hemisferio norte están mucho más frías que los océanos de la misma latitud, y en julio la situación es la contraria. A bajas alturas, la temperatura del aire está determinada en gran medida por la temperatura de la superficie terrestre. Los cambios periódicos de temperatura se deben básicamente al calentamiento por la radiación del Sol de las zonas terrestres del planeta, que a su vez calientan el aire situado por encima. Como resultado de este fenómeno, la temperatura disminuye con la altura, desde un nivel de referencia de 15 ° C en el nivel del mar (en latitudes templadas) hasta unos – 55 ° C a 11.000 m aproximadamente. Por encima de esta altura, la temperatura permanece casi constante hasta unos 34.000 m.
1.4 Dilatación térmica.
Cuando una varilla metálica es sometida a calentamiento sufre una dilatación lineal, la cual puede cuantificarse a través de la siguiente expresión:
Donde.
Lo: longitud inicial de la varilla, m
Lf: longitud final de la varilla, m
Tf: temperatura final de la varilla, º C
To: temperatura inicial de la varilla, º C
: coeficiente de expansión térmica lineal del material, º C -1
El coeficiente de expansión térmica lineal se expresa en 1/ºC ó 1/ºF dependiendo de las unidades usadas para expresar la temperatura. Cuando los metales se someten a enfriamiento progresivo sufren una contracción, por lo que la longitud final será inferior a la longitud inicial. La Tabla 1 resume el coeficiente de expansión térmica lineal de algunos materiales.
Tabla 1. Coeficientes de expansión de algunos materiales cerca de la temperatura ambiente.
Material
|
Coeficiente de expansión lineal (º C –1)
|
Aluminio
|
24 x 10-6
|
Latón y bronce
|
19 x 10-6
|
Cobre
|
17 x 10-6
|
Vidrio (ordinario)
|
9 x 10-6
|
Vidrio (Pirex)
|
3,2 x 10-6
|
Plomo
|
29 x 10-6
|
Acero
|
11 x 10-6
|
Invar(aleación de Níquel – Cromo)
|
6,9 x 10-6
|
Concreto
|
12 x 10-6
|
Las superficies metálicas al someterse a calentamiento se dilatan. El área final puede calcularse a través de la siguiente expresión:
Donde:
Ao: área inicial de la superficie, m2
Af: área final de la superficie, m2
Tf: temperatura final de la superficie, º C
To: temperatura inicial de la superficie, º C
: coeficiente de expansión térmica lineal del material, º C -1
Se debe señalara que cuando las superficies metálicas son sometidas a enfriamiento sufren una contracción.
Los líquidos se dilatan al someterse a calentamiento (la mayoría), la expansión volumétrica de estos se puede calcular a través de la siguiente expresión:
Donde:
Vo: volumen inicial del líquido, m3
Vf: volumen final del líquido, m3
Tf: temperatura final del líquido, º C
To: temperatura inicial del líquido, º C
: coeficiente de expansión térmica lineal del líquido o gas, º C -1
: coeficiente de expansión volumétrico del líquido o gas, º C -1
Nótese que:
La Tabla 2 resume el coeficiente de expansión volumétrica de algunos líquidos y gases.
Tabla 2. Coeficientes de expansión volumétricos de algunos líquidos y gases.
Material
|
Coeficiente de expansión volumétrico ( º C -1)
|
Alcohol etílico
|
1,12 x 10-4
|
Benceno
|
1,12 x 10-4
|
Acetona
|
1,5 x 10-4
|
Glicerina
|
4,85 x 10-4
|
Mercurio
|
1,82 x 10-4
|
Trementina
|
9 x 10-4
|
Gasolina
|
9,6 x 10-4
|
Aire a 0 º C
|
3,67 x 10-4
|
Helio a 0 º C
|
3,665 x 10-4
|
Un caso de dilatación térmica lo constituye el fenómeno de barras empotradas. Las barras empotradas en paredes indeformables son sometidas a esfuerzos mecánicos como una consecuencia de la dilatación térmica inherente al material constitutivo de la misma. O sea, la dilatación térmica es contrarrestada por la expansión mecánica.
desarrollando...
Donde:
Lo: longitud de la barra empotrada a la temperatura inicial, m
Tf: temperatura final del sistema, º C
To: temperatura inicial del sistema, º C
P: fuerza de compresión generada en los apoyos, N/m2
E: módulo de elasticidad del material constitutivo de la barra, N/m2
A: área de la sección transversal de la barra, m2
: coeficiente de dilatación térmica lineal del material de la barra, º C -1
El esfuerzo mecánico al cual es sometida la barra se calcula, a través de la siguiente expresión:
Donde:
P: fuerza de compresión generada en los apoyos, N/m2
A: área de la sección transversal de la barra, m2
: esfuerzo mecánico, N/m2
La Tabla 3 resume los módulos de elasticidad de algunos materiales.
Tabla 3. Valores comunes del módulo de elasticidad (conocido como módulo de Young).
Sustancias
|
Módulo de Young (N/m2)
|
Aluminio
|
7,0 x 1010
|
Latón
|
9,1 x 1010
|
Cobre
|
11 x 1010
|
Acero
|
20 x 1010
|
Tungsteno
|
35 x 1010
|
Vidrio
|
6,5 a 7,8 x 1010
|
Cuarzo
|
5,6 x 1010
|
Nota: el módulo de Young mide la resistencia de un sólido a un cambio en su longitud.
Los procesos físicos por los que se produce la transferencia de calor son la conducción y la radiación. Un tercer proceso, que también implica el movimiento de materia, se denomina convección. La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos (o las partes de un cuerpo) que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.
1.5.1 Mecanismo de transferencia de calor por conducción
El proceso de transferencia de energía térmica más sencillo de describir de manera cuantitativa recibe el nombre de conducción. En este proceso, la transferencia de energía térmica se puede ver a una escala atómica como un intercambio de energía cinética entre moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan energía al chocar con las partículas más energéticas. A pesar de que la transferencia de energía térmica a través de un metal puede explicarse de modo parcial por las vibraciones atómicas y el movimiento de electrones, la tasa de conducción depende también de las propiedades de la sustancia que es calentada.
La transferencia de calor por conducción es explicada satisfactoriamente por la Ley de Fourier:
Donde:
q: velocidad de transferencia de calor por conducción, Cal/s
A: área transversal a la dirección de flujo de calor, m2
: gradiente de temperatura en la sección de flujo de calor, º C/m
k: conductividad térmica del material a través del medio por donde se transfiere el calor, Cal/s.m.º C
Cuando se desea calcular la velocidad de transferencia de calor por conducción a través de una placa o pared, se usa:
Donde:
q: velocidad de transferencia de calor por conducción, Cal/s
A: área transversal a la dirección de flujo de calor, m2
L: espesor de la placa, m
k: conductividad térmica del material a través del medio por donde se transfiere el calor, Cal/s.m.º C
Tf: temperatura de la superficie caliente, º C
To: temperatura de la superficie fría, º C
El término L/(k.A) se conoce con el nombre de resistencia térmica del material.
En el caso de transferencia de calor por conducción en tuberías se usa la siguiente expresión:
(18)
Donde:
q: velocidad de transferencia de calor por conducción radial, Cal/s
ro: radio externo de la tubería, m
ri: radio interno de la tubería, m
L: largo del tubo, m
k: conductividad térmica del material a través del medio por donde se transfiere el calor, Cal/s.m.º C
Tf: temperatura de la superficie caliente, º C
To: temperatura de la superficie fría, º C
El término In(ro/ri)/(2..k.L) es conocido como resistencia térmica del material constitutivo del tubo.
La Tabla 4 resume las conductividades térmicas de algunas sustancias.
Tabla 4. Conductividades térmicas de algunas sustancias.
Sustancia
|
Conductividad térmica (W/m ºC)
|
Metales (a 25 ºC)
| |
Aluminio
|
238
|
Cobre
|
397
|
Oro
|
314
|
Hierro
|
79,5
|
Plomo
|
34,7
|
Plata
|
427
|
Gases (a 25 ºC)
| |
Aire
|
0,0234
|
Helio
|
0,138
|
Hidrógeno
|
0,172
|
Nitrógeno
|
0,0234
|
Oxígeno
|
0,0238
|
No metales (valores aproximados)
| |
Asbestos
|
0,08
|
Concreto
|
0,8
|
Diamante
|
2.300
|
Vidrio
|
0,8
|
Hielo
|
2
|
Hule
|
0,2
|
Agua
|
0,6
|
Madera
|
0,08
|
Por lo general, se suelen encontrar paredes compuestas por diferentes materiales o tubos recubiertos con una variedad de aislantes, en estos casos se suman las resistencias térmicas dependiendo de su configuración.
Si las resistencias térmicas se encuentran en serie:
Si las resistencias están dispuestas en paralelo:
MOTOR DE CUATRO TIEMPOS
Se denomina motor de cuatro tiempos al motor de combustión interna alternativo tanto de ciclo Otto como ciclo del diésel, que precisa cuatro, o en ocasiones cinco, carreras del pistón o émbolo (dos vueltas completas del cigüeñal) para completar el ciclo termodinámico de combustión. Estos cuatro tiempos son:
TIEMPO DEL CICLO
Aquí se detallan los diferentes tiempos (actividades realizadas durante el ciclo) y sus características.
- 1-Primer tiempo o admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por compresión. La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente.
- 2-Segundo tiempo o compresión: al llegar al final de la carrera inferior, la válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente.
- 3-Tercer tiempo o explosión/expansión: al llegar al final de la carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado o de ciclo Otto salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta a través del inyector el combustible muy pulverizado, que se autoinflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura y la presión en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º mientras que el árbol de levas gira 90º respectivamente, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente.
- 4 -Cuarto tiempo o escape: en esta fase el pistón empuja, en su movimiento ascendente, los gases de la combustión que salen a través de laválvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas gira 90º.
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