Principios termodinámicos

Enrique Serrano Cáceres
2BCT
tecnología
Índice
Fundamentos de la termodinámica: ______________ Pág. 3
Formas de calor: ____________________________ Pág. 4, 5
Punto triple: __________________________ Pág. 5, 6
Principios de la termodinámica: ________________ Pág. 6, 7
El ciclo de Carnot: __________________________ Pág. 7, 8
Motores térmicos: __________________________ Pág. 8, 9, 10
Máquina de vapor: _____________________ Pág. 8, 9,
Motor combustión interna: ______________ Pág. 10
Motor de 4 tiempos: ________________________ Pág. 10, 11, 12
Motor de 2 tiempos: _______________________ Pág. 12, 13
Motor rotatorio: __________________________ Pág. 13
Motor de carga estratificada: ________________ Pág. 13, 14
Motor Otto: _____________________________ Pág. 14
Motor diesel: _____________________________ Pág. 14
Sistemas de refrigeración: ___________________ Pág. 15, 16
Bombas de calor: _________________________ Pág. 16
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Principios termodinámicos. Motores térmicos.
Fundamentos de la termodinámica.
El descubrimiento de que toda la materia está formada por moléculas
proporcionó una base microscópica para la termodinámica. Un sistema
termodinámico formado por una sustancia pura se puede describir como un
conjunto de moléculas iguales, cada una de las cuales tiene un movimiento
individual que puede describirse con variables mecánicas como la velocidad o el
momento lineal. En ese caso, debería ser posible, al menos en principio,
calcular las propiedades colectivas del sistema resolviendo las ecuaciones del
movimiento de las moléculas. En ese sentido, la termodinámica se podría
considerar como una simple aplicación de las leyes de la mecánica al sistema
microscópico.
Estas características generales resultan ser precisamente las variables
termodinámicas macroscópicas. El tratamiento estadístico de la mecánica
molecular se denomina mecánica estadística, y proporciona a la termodinámica
una base mecánica.
Desde la perspectiva estadística, la temperatura representa una medida
de la energía cinética media de las moléculas de un sistema. El incremento de
la temperatura refleja un aumento en la intensidad del movimiento molecular.
Cuando dos sistemas están en contacto, se transfiere energía entre sus
moléculas como resultado de las colisiones. Esta transferencia continúa hasta
que se alcance la uniformidad en sentido estadístico, que corresponde al
equilibrio térmico. La energía cinética de las moléculas también corresponde al
calor, y, junto con la energía potencial relacionada con las interacciones entre
las moléculas, constituye la energía interna de un sistema.
La conservación de la energía, una ley bien conocida en mecánica, se
transforma en el primer principio de la termodinámica, y el concepto de entropía
corresponde a la magnitud del desorden a escala molecular. Suponiendo que
todas las combinaciones de movimientos moleculares son igual de probables, la
termodinámica demuestra que cuanto más desordenado sea el estado de un
sistema aislado, existen más combinaciones que pueden dar lugar a ese
estado, por lo que ocurrirá con una frecuencia mayor. La probabilidad de que se
produzca el estado más desordenado es abrumadoramente mayor que la de
cualquier otro estado. Esta probabilidad proporciona una base estadística para
definir el estado de equilibrio y la entropía.
Por último, la temperatura puede disminuirse retirando energía de un
sistema, es decir, reduciendo la intensidad del movimiento molecular. El cero
absoluto corresponde al estado de un sistema en el que todos sus componentes
están en reposo. Sin embargo, este concepto pertenece a la física clásica.
Según la mecánica cuántica, incluso en el cero absoluto existe un movimiento
molecular residual.
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 Formas de calor:
Calor: 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.
El efecto del calor sobre la temperatura de un cuerpo se explicaba
postulando la existencia de una sustancia o forma de materia invisible,
denominada
calórico. Según la
teoría del calórico,
un cuerpo de
temperatura alta
contiene más
calórico que otro
de temperatura
baja; el primero
cede parte del
calórico al
segundo al
ponerse en
contacto ambos
cuerpos, con lo
que aumenta la temperatura de dicho cuerpo y disminuye la suya propia.
Calor latente: El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una
serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al
calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C
constituye una importante excepción a esta regla. Se denomina fase de una
sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de
fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El
paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de
líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen
lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir
un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de
sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a
la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C
por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la
temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en
transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando
el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse. Del
mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no
cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea
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para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se
almacena como energía en el agua.
Calor específico: La cantidad de calor necesaria para aumentar en un
grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia se conoce como
calor específico. Si el calentamiento se produce manteniendo constante el
volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor específico a volumen
constante o a presión constante. En todas las sustancias, el primero siempre es
menor o igual que el segundo. ( El calor específico del agua a 15 °C es de
4.185,5 julios por kilogramo y grado Celsius ). En el caso del agua y de otras
sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los
calores específicos a volumen constante y presión constante ya que son
aproximadamente iguales. Generalmente, los dos calores específicos de una
sustancia dependen de la temperatura.
Punto triple, condiciones de temperatura y presión a las que pueden
coexistir en equilibrio las tres fases de una sustancia pura: sólida, líquida y
gaseosa. Un gráfico de la presión frente a la temperatura que muestra los
intervalos en los que pueden existir las distintas fases se denomina diagrama de
fases. En el del agua, las líneas AB y BC representan las curvas de presión de
vapor del hielo y el agua líquida respectivamente. La línea BD muestra el efecto
que un aumento de la presión tiene sobre el punto de congelación. La pendiente
de esa línea indica que un aumento de la presión disminuye el punto de
congelación. Esto es lo contrario de lo que ocurre con la mayoría de los demás
líquidos, y se debe al hecho de que el agua; a diferencia de otros líquidos; se
expande al congelarse
En la región ABD, el hielo es la única fase estable; en DBC y ABC, las únicas
fases estables son, respectivamente, el agua y el vapor de agua. En el punto de
intersección B, la temperatura es de 0,01 ºC, y tanto el hielo como el agua
tienen la misma presión de vapor: 610,5 pascales. B es el punto triple del agua.
La temperatura del punto triple para cualquier sustancia pura es muy próxima a
la de fusión, puesto que la variación de esta última con la presión es muy
pequeña.
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La termodinámica se dedica al estudio y a la explicación de las interacciones
energéticas que ocurren entre sistemas.
Por lo dicho la termodinámica es el campo de la física que describe y
relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos,
así como sus intercambios energéticos. Los principios de la termodinámica
tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la
ingeniería.
Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico,
que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y
que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema
macroscópico se puede describir mediante propiedades medibles como la
temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables de
estado.
Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro,
se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la
termodinámica, descubiertos en el siglo XIX, , determinan la naturaleza y los
límites de todos los procesos termodinámicos.
Principio cero de la termodinámica:
Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una
determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar
un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero
de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio
termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí.
Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.
La temperatura se mide con un termómetros. Un termómetro se construye
a partir de una sustancia con estados fácilmente identificables y reproducibles,
por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullición y congelación en
condiciones normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos
estados, la temperatura de cualquier sistema se puede determinar poniéndolo
en contacto térmico con el termómetro, siempre que el sistema sea grande en
relación con el termómetro.
Primer principio de la termodinámica:
El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que,
como la energía no puede crearse ni destruirse —dejando a un lado las
posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía; la cantidad
de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de
energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al
aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos
por los que los sistemas intercambian energía entre sí.
Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene
lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos.
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Segundo principio de la termodinámica:
No es posible desarrollar un sistema que opere según un ciclo
termodinámico de manera que ceda una cantidad neta de trabajo a su entorno
si recibe calor de una única fuente térmica.
El segundo principio impone una condición adicional a los procesos
termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y cumplan así el
primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo
principio se denomina "móvil perpetuo de segunda especie", ya que podría
obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un
entorno caliente sin coste alguno. A veces, el segundo principio se formula
como una afirmación que descarta la existencia de un móvil perpetuo de
segunda especie.
Tercer principio de la termodinámica:
El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no se
puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de
pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se
puede llegar a él.
Ciclos termodinámicos: el Ciclo de Carnot.
Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), físico e ingeniero militar francés,
nació en París y estudió en la Escuela Politécnica. En 1824 describió su
concepción del motor ideal, el llamado motor de Carnot, en el que se utiliza
toda la energía disponible. Descubrió que el calor no puede pasar de un cuerpo
más frío a uno más caliente, y que la eficacia de un motor depende de la
cantidad de calor que es capaz de utilizar. Este descubrimiento es la base de la
segunda ley de la termodinámica.
Para realizar el ciclo supondremos que las sustancia que realiza el ciclo es
un gas ideal que funciona entre dos focos de calor, uno frío y otro caliente. Se
realiza el ciclo en cuatro tiempos o etapas. El ciclo lo consideramos reversible
para así poder ver bien los estados y el proceso.
Observando la figura entenderemos mejor el proceso:
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Tiempo 1. Expansión isotérmica M1 a M2
a la T1. El trabajo exterior realizado será el
área bajo la curva. el trabajo se realiza a costa
del calor absorbido del foco caliente.
Tiempo 2. Expansión adiabática. No hay
intercambio de calor.
Tiempo 3. El gas se comprime
isotérmicamente a T4; cediendo calor Q2.
Tiempo 4. El gas se comprime
adiabáticamente y pasa de T4 a T1; finalizando
el ciclo.
Motores térmicos:
Un motor térmico es todo aquel dispositivo capaz de transformar el calor
en energía mecánica. El calor necesario para conseguir que funcione una
máquina térmica procede, generalmente, de la combustión de un combustible.
Dicho calor es absorbido por un fluido que, al expandirse, pone en movimiento
las distintas piezas de la máquina.
Según que la combustión del combustible se produzca en el interior o en
el exterior de la propia máquina, las máquinas térmicas se clasifican en
máquinas de combustión interna, como el motor de explosión de cuatro
tiempos, y máquinas de combustión externa, como la máquina de vapor o la
turbina de vapor, en las que el combustible es utilizado para formar vapor fuera
de la máquina y parte de la energía interna del vapor se emplea en realizar
trabajo en el interior de la máquina.
El rendimiento de una máquina térmica es el cociente entre la energía
mecánica producida y el calor tomado del foco caliente. Las máquinas térmicas
tienen rendimientos muy bajos, ya que tan sólo una pequeña parte del calor
producido se puede transformar en trabajo, y el resto se utiliza en calentar el
fluido que pone en movimiento a la máquina, en vencer el rozamiento de las
piezas que la componen o simplemente se disipa al ambiente en forma de calor.
Una segunda clasificación se hace en función de la forma en que se
obtiene la energía mecánica: motores alternativos o rotativos.
 Maquina de vapor:
La maquina de vapor es un dispositivo mecánico que convierte la energía
del vapor de agua en energía mecánica y que tiene varias aplicaciones en
propulsión y generación de electricidad. El principio básico de la máquina de
vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía
mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado
con un pistón móvil. El vapor utilizado en la generación de energía o para
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calefacción suele producirse dentro de una caldera. La caldera más simple es
un depósito cerrado que contiene agua y que se calienta con una llama hasta
que el agua se convierte en vapor saturado. Los sistemas domésticos de
calefacción cuentan con una caldera de este tipo, pero las plantas de
generación de energía utilizan sistemas de diseño más complejo que cuentan
con varios dispositivos auxiliares. La eficiencia de los motores de vapor es baja
por lo general, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones de generación
de energía se utilicen turbinas de vapor en lugar de máquinas de vapor.
Funcionamiento:
Cuando el pistón se encuentra en el extremo izquierdo del cilindro, el vapor
de agua entra por el cabezal de la válvula y a través del orificio hacia la parte
izquierda del cilindro. La posición de la válvula deslizante de corredera permite
que el vapor ya utilizado en la parte derecha del pistón escape a través del
orificio de expulsión o conducto de salida. El movimiento del pistón acciona un
volante, que a su vez mueve una biela que controla la válvula deslizante. Las
posiciones relativas del pistón y la válvula son reguladas por las posiciones
relativas de los puntos en que están acoplados el cigüeñal y la biela de la
válvula de corredera al volante.
En la segunda posición el vapor que se encuentra en la parte izquierda del
cilindro se ha expandido y ha desplazado el pistón hacia el punto central del
cilindro. Al mismo tiempo, la válvula se ha movido a su posición de cierre de
forma que el cilindro queda estanco y no pueden escapar ni el vapor del cilindro
ni el de la caja de válvulas.
 En las máquinas de vapor de un solo cilindro la máquina se puede
detener cuando el pistón se encuentra en uno de los extremos del cilindro. Si el
cilindro se encuentra en esta situación, se dice que el motor está en punto
muerto y no se puede arrancar. Para eliminar los puntos muertos, las máquinas
cuentan con dos o más cilindros acoplados, dispuestos de tal forma que la
máquina puede arrancar con independencia de la posición de los pistones. La
manera más simple de acoplar dos cilindros de una máquina es unir los dos
cigüeñales con el volante de la forma que se muestra en la figura 3. Para
conseguir un equilibrio mayor se puede utilizar una máquina de tres cilindros en
la que las manivelas de los cilindros se
colocan en ángulos de 120 grados. El
acoplamiento de los cilindros no sólo elimina
las dificultades de arranque sino que permite
diseñar plantas de generación con un
funcionamiento más fiable.
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 Motores de combustión interna:
Cualquier tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de
la energía química producida por un combustible que arde dentro de una
cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se utilizan motores de
combustión interna de cuatro tipos: el motor cíclico Otto, el motor diesel, el
motor rotatorio y la turbina de combustión. El motor cíclico Otto, es el motor
convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica. El motor
diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea
en instalaciones generadoras de electricidad, en sistemas de propulsión naval,
en camiones, autobuses y algunos automóviles. Tanto los motores Otto como
los diesel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos.
 Partes del motor:
Los motores Otto y los diesel tienen los mismos elementos principales. La
cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo
y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al interior. La posición hacia
dentro y hacia fuera del pistón modifica el volumen que existe entre la cara
interior del pistón y las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está
unida por un eje al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el
movimiento lineal del pistón. En los motores de varios cilindros el cigüeñal tiene
una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con
lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto
determinado de la rotación.
El sistema de bombeo de combustible de un motor de combustión interna
consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo que vaporiza
o atomiza el combustible líquido. Se llama carburador al dispositivo utilizado con
este fin en los motores Otto. En los motores de varios cilindros el combustible
vaporizado se conduce a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado
colector de admisión. Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a
través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle mantiene
cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado.
El dispositivo que produce la ignición es la bujía, un conductor fijado a la
pared superior de cada cilindro. La bujía contiene dos hilos separados entre los
que la corriente de alto voltaje produce un arco eléctrico que genera la chispa
que enciende el combustible dentro del cilindro.
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer
de algún tipo de sistema de refrigeración.
 Motor de cuatro tiempos:
El motor de cuatro tiempos puede tener uno o más cilindros, y en cada uno
de ellos se completa un ciclo en cuatro movimientos.
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Los pistones se mueven dentro de los cilindros del motor desde la parte
superior del cilindro, que se llama punto muerto superior hacia la parte inferior
del mismo que recibe el nombre de punto muerto inferior, impulsados por la
carrera de fuerza del o los cilindros en los que esta se lleva a efecto o por el
movimiento del cigüeñal, que en las figuras de abajo está designado con la letra
"P".
Los cuatro tiempos a los que me refiero son los siguientes:
Admisión - Compresión - Carrera de fuerza – Escape.
 Admisión:
El pistón (N) se encuentra en el punto muerto superior de su carrera, la
válvula de admisión (A) abre, permitiendo el paso
de una mezcla de aire y gasolina (C) al interior del
cilindro (M) gracias a la succión que hace el pistón
al descender, que es similar a la que hace el
émbolo de una jeringa cuando es jalado hacia fuera
del cuerpo de la misma. El cilindro (M), que es
como un tubo que se encuentra adentro del motor,
se llena de la mezcla a la que nos referimos arriba y
este tiempo termina al llegar el pistón al punto
muerto inferior, que como ya dijimos, es el punto
más bajo de su carrera.
 Compresión:
El pistón (N) se encuentra en su parte mas baja del recorrido que también
se llama punto muerto inferior, al concluir el tiempo
de admisión y el cilindro se ha llenado de la mezcla
de aire y gasolina a la que nos referimos en el párrafo
anterior, ambas válvulas (A y J) se encuentran
cerradas en esta ocasión el pistón sube hacia su
punto muerto superior comprimiendo la mezcla en el
interior del cilindro.
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Expansión:
El pistón (N) se halla en la parte superior de su
recorrido que para el caso del tiempo de compresión
se conoce como "Punto muerto superior de
compresión" y la mezcla, como se indica en el párrafo
anterior, se halla comprimida debido a que ambas
válvulas (A y J) se hallan cerradas. La bujía "K"
produce una chispa que inflama a la mezcla de aire y
combustible, con lo que el pistón es forzado a
descender violentamente por la fuerza generada por
la inflamación hacia su punto muerto inferior. Esta es
la única carrera útil de los cuatro tiempos.
 Escape:
El pistón se halla en su punto muerto inferior tras haber sido desplazado
ahí por la fuerza de la explosión la válvula de escape(J) se abre y el pistón sube
al punto mas alto de su carrera impulsado por el
movimiento de los demás pistones forzando así a
los gases resultados de la combustión a salir por la
válvula abierta.
 Motor de dos tiempos:
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la
duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a
una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación
requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos
utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que
quedan expuestos al desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos
tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio
de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del cabezal del
cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se enciende la carga de
mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se
desplaza hacia atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y
permitiendo que los gases salgan de la cámara.
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1er Tiempo: el pistón está en el punto mas alto de su carrera, se produce
la inflamación. Los gases se expanden hasta que el pistón abre la lumbrera de
escape, por donde se evacua el gas, impulsado por la elevada presión que
todavía posee. A medida que el pistón
baja comprime el fluido de trabajo del
cárter. Al seguir bajando, abre la lumbrera
que comunica con el cárter. Este fluido
barre los gases de combustión hacia la
lumbrera de escape.
2o Tiempo: el pistón comienza a
subir desde el punto mas bajo que
alcanza el pistón en su carrera,
completando la fase de barrido y admisión
hasta que cierra las lumbreras de escape
y admisión. En ese momento comienza la compresión hasta llegar al punto mas
alto. Al mismo tiempo, la lumbrera de admisión queda abierta y entra el fluido en
el cilindro.
 Motor rotatorio:
En 1950, el ingeniero alemán Felix Wankel desarrolló un motor de
combustión interna con un diseño revolucionario, que utilizaba un rotor
triangular que gira dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un
cilindro. La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de
aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la
cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una
bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el
movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del
rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro. Funciona casi sin
vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere
mucha refrigeración.
 Motor de carga estratificada:
Una variante del motor de encendido con bujías es el motor de carga
estratificada, diseñado para reducir las emisiones sin necesidad de un sistema
de recirculación de los gases resultantes de la combustión y sin utilizar un
catalizador. La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro
de cada cilindro, con una antecámara que contiene una mezcla rica de
combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre. La
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bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara principal.
La temperatura máxima que se alcanza es suficiente como para impedir la
formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la temperatura media es la
suficiente para limitar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos.
Motores cíclicos Otto o de gasolina:
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos, es decir, que el
ciclo completo del pistón tiene cuatro fases, dos hacia el cabezal cerrado del
cilindro y dos hacia atrás. Durante la primera fase del ciclo el pistón se mueve
hacia atrás mientras se abre la válvula de admisión. El movimiento del pistón
durante esta fase aspira hacia dentro de la cámara la cantidad necesaria de la
mezcla de combustible y aire. Durante la siguiente fase, el pistón se mueve
hacia la cabeza del cilindro y comprime la mezcla de combustible contenida en
la cámara. Cuando el pistón llega hasta el final de esta fase y el volumen de la
cámara de combustión es mínimo, la bujía se activa y la mezcla arde,
expandiéndose y creando dentro del cilindro la presión que hace que el pistón
se aleje; ésta es la tercera fase. En la fase final, se abre la válvula de escape y
el pistón se mueve hacia la cabeza del cilindro para expulsar los gases,
quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.
Motores diesel:
El ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar a un
volumen constante en lugar de a una presión constante. La mayoría de los
motores diesel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes
de las de los motores de gasolina. En la primera fase se absorbe solamente aire
hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la de compresión, el aire se
comprime a una fracción mínima de su volumen original y se calienta hasta
unos 440 ºC a causa de la compresión. Al final de la fase de compresión el
combustible vaporizado se inyecta dentro de la cámara de combustión y arde
inmediatamente a causa de la alta temperatura del aire. Algunos motores diesel
utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible para
arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada. La combustión
empuja el pistón hacia atrás en la tercera fase, la de potencia. La cuarta fase es,
al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.
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Sistemas de refrigeración:
La refrigeración consiste en conseguir mantener un determinado objeto o
lugar a una temperatura inferior a la del entorno que los rodea. Por lo tanto
refrigerar es un proceso por el que se reduce la temperatura de un espacio
determinado y se mantiene esta temperatura baja con el fin, por ejemplo, de
enfriar alimentos, conservar determinadas sustancias o conseguir un ambiente
agradable. El almacenamiento refrigerado de alimentos perecederos, pieles,
productos farmacéuticos y otros se conoce como almacenamiento en frío. La
refrigeración evita el crecimiento de bacterias e impide algunas reacciones
químicas no deseadas que pueden tener lugar a temperatura ambiente.
La eficacia del hielo como refrigerante es debida a que tiene una
temperatura de fusión de 0 °C y para fundirse tiene que absorber una cantidad
de calor equivalente a 333,1 kJ/kg. La presencia de una sal en el hielo reduce
en varios grados el punto de fusión del mismo. Los alimentos que se mantienen
a esta temperatura o ligeramente por encima de ella pueden conservarse
durante más tiempo.
En la refrigeración mecánica se obtiene un enfriamiento constante
mediante la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado, donde se
evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo. Si no existen pérdidas, el
refrigerante sirve para toda la vida útil del sistema. Todo lo que se necesita para
mantener el enfriamiento es un suministro continuo de energía y un método
para disipar el calor. Los dos tipos principales de sistemas mecánicos de
refrigeración son el sistema de compresión, empleado en los refrigeradores
domésticos grandes y en la mayoría de los aparatos de aire acondicionado, y el
sistema de absorción, que en la actualidad se usa sobre todo en los
acondicionadores de aire por calor, aunque en el pasado también se empleaba
en refrigeradores domésticos por calor.
 Sistemas de absorción:
1) En gases.
Algunos refrigeradores domésticos funcionan mediante el principio de
absorción. En ellos, una llama de gas calienta una disolución concentrada de
amoníaco en agua en un recipiente llamado generador, y el amoníaco se
desprende en forma de vapor y pasa a un condensador. Allí se licúa y fluye
hacia el evaporador, igual que en el sistema de compresión. Sin embargo, en
lugar de pasar a un compresor al salir del evaporador, el amoníaco gaseoso se
reabsorbe en la disolución diluida y parcialmente enfriada procedente del
generador, para formar de nuevo una disolución concentrada de amoníaco. Este
proceso de reabsorción se produce en un recipiente llamado absorbedor, desde
donde el líquido concentrado fluye de vuelta al generador para completar el
ciclo.
2) En el vapor.
Se usa cada vez más en refrigeradores para acondicionar el aire, en los
que resultan adecuadas temperaturas de refrigerante entre 7 y 10 °C
aproximadamente. En este rango de temperaturas puede emplearse agua como
refrigerante, y una disolución acuosa de alguna sal, generalmente bromuro de
litio, como material absorbente. El agua hierve a una temperatura muy baja en
el evaporador porque la presión allí es muy reducida. El vapor frío se absorbe
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en la disolución salina concentrada. Después, esta disolución se bombea al
generador donde, a temperatura elevada, se hace hervir el agua sobrante para
aumentar la concentración de sal en la disolución; ésta, después de enfriarse,
circula de vuelta al absorbedor para completar el ciclo. El sistema funciona con
un vacío elevado.
Bomba de calor:
El objetivo de una bomba de calor consiste en aportar a un recinto que se
encuentra a temperatura Tc, desde un foco cuya temperatura Tf es inferior. Para
esto es necesario u aporte de trabajo.
Una bomba de calor funciona exactamente igual que una maquina
frigorífica, pero en las bombas de calor el foco es el exterior de donde se saca
Qf y el foco caliente es el interior del recinto Qc.
La principal aplicación de una bomba de calor es al calefacción, aunque
con la posibilidad de invertir el proceso en la actualidad se utilizan el mismo
aparato tanto en verano como en invierno.
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Bibliografía
www.portaltecnologia.com
cipres.cec. uchile.c
encarta.msn.es
home.s-planet.de
www.km77.com
www.k-wz.de
www.kymco.es
www.markelmotor.com
automotriz.reforma.es
Libro tecnología: - Sonia Val Blasco y otros. “ Tecnología industrial 2”.
2.001, Madrid (España). ED, Mc Graw Hill.
Enciclopedia multimedia: Varios. “ La aventura de la ciencia”. Ed,
Planeta DeAgostini. Distribuida por el diario: Las Provincias.
Libro de texto de Física y Química: - Isabel Piñar. “ Física y Química 4º
de Eso”. 1.998. Vizcaya (España). Ed Oxford.
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