Cáp. I PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA 1.1. DEFINICION

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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.
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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
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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.
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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.
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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

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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
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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
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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:
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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
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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.
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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
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(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 ]
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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.
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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]
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1.6.
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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 ]
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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
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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   pdVJ   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.
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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
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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  mCet [ J ] 
t2
 dq  mCe t
t1
Donde:
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t2
[J]
 q  mCe t [ J ]
t1
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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.
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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
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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 ]
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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  mCvt [ J ]
Para un proceso a presión constante se tiene la siguiente relación:
q  mCpt [ 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.
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