Conceptos Termodinámicas Aplicados Al Motor de Combustión Interna

8/20/2019 Conceptos Termodinámicas Aplicados Al Motor de Combustión Interna

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CONCEPTOS TERMODINÁMICAS APLICADOS AL MOTOR DE

COMBUSTIÓN INTERNA

1 INTRODUCCIÓN

El estudio del calor y el proceso de combustión es muy importante para eltécnico, dado que en la mayoría de los ciclos de los motores térmicos, yespecífcamente para nuestro caso, en los de combustión interna, el calorliberado en el proceso de combustión constituye la uente de energía de la quedispone el motor para su posterior trans ormación en energía cinética o trabajomecánico útil.

En este capítulo se expondrá de una manera simple los conceptos de calor y decombustión, y las reacciones químicas más importantes que tienen lugarcuando se quema un combustible para producir calor. ara ello, se examinarálos principios básicos y elementales que rigen estos enómenos.

!demás, se expondrán algunas nociones de química, encaminadas a acilitar lacomprensión de los cambios de naturale"a química que tienen lugar cuando se

queman combustibles.

l.1 Calor

#e defne el calor como energía en estado de trans erencia o transición$mo%imiento& desde un cuerpo a otro, a consecuencia de la di erencia detemperaturas entre los cuerpos. Es decir, el cuerpo que se encuentra a mayortemperatura cederá energía al cuerpo de menor temperatura' ya sea, porcontacto directo o a tra%és de un medio de trans erencia.

(a energía que constituye el calor procede de los mo%imientos depeque)ísimas partículas llamadas moléculas, de las que están compuestos los

cuerpos. Estas partículas en cualquier cuerpo incluso en tro"os de metalessolidifcados se mue%en erráticamente de orma continua, describiendotrayectorias muy cortas' tan cortas que no son %isibles ni siquiera conmicroscopios de gran aumento.

*uando se transfere o cede calor a un cuerpo, lo que ocurre es que lasmoléculas del cuerpo adquieren más energía y comien"an a mo%erse másdeprisa y con trayectorias más largas. #i el cuerpo es un sólido, como es elcaso de un cilindro de un motor, éste se calienta, porque sus moléculas se



mue%en muy rápidamente' y si utili"amos un termómetro para medir latemperatura en el interior del cilindro, se encontrará que ella se +a ele%ado. Enotras palabras, mayor temperatura en un cuerpo signifca mayor %elocidad delas moléculas.

(os cuerpos sólidos tienen ormas in%ariables, pero un gas $como el aire& seexpande libremente y llena todo el recipiente que lo contiene, cualquiera seasu tama)o. (as moléculas de un gas se encuentran entonces c+ocandocontinuamente con las paredes del recipiente, produciendo como resultado una

uer"a que es posible medir a tra%és de lo que llamamos presión del gas.

*uando se suministra calor a un gas sus moléculas se mue%en más deprisa ycon trayectorias más largas y se calienta. #i el gas está encerrado en unespacio fjo, los golpes más uertes con que las moléculas c+ocan contra lasparedes se manifestan por un aumento de presión.

odo esto es precisamente lo que ocurre cuando el combustible se quema en elinterior de los cilindros de un motor. !l quemarse, el combustible comunica

calor a los gases encerrados en la cámara de combustión y aumenta la presióncon que los gases actúan sobre las superfcies que orman el recinto.

*omo una de dic+as superfcies, la cara de uego del pistón, es mo%ible,consecuentemente el incremento de presión produce el mo%imientodescendente del pistón durante la ase de combustión o explosión, !l tiempoque el pistón desciende, aumenta el espacio ocupado por los gases, por lo cualel %olumen de los gases se +ace mayor, y se dice que éstos se expanden odilatan.

El calor, como la energía mecánica, es algo intangible, y una unidad de calor noes una cosa que pueda conser%arse en un laboratorio de medidas. (a cantidad

de calor que inter%iene en un proceso se mide por algún cambio queacompa)a, y una unidad de calor se defne como el calor necesario paraproducir alguna trans ormación de tipo con%enido.

En el sistema métrico, la unidad del calor es la caloría $cal&, defnida como lacantidad de calor necesaria para ele%ar o disminuir en un grado centígrado$-*&, la temperatura de un gramo de masa de agua. En muc+os trabajos deingeniería, por ser la caloría una unidad peque)a, se utili"a la ilocaloría $/000calorías&' que es la cantidad de calor necesaria para ele%ar o disminuir en un-*, la temperatura de un 1ilogramo de masa de agua.

En el sistema ingles de unidades, el calor se mide con la unidad térmica

británica $2ritis+ ermal 3nit o 2 3&, que se defne como la cantidad de calornecesaria para ele%ar o disminuir en un grado 4a+ren+eit $-4&, la temperaturade una libra masa de agua.

*omo el calor es una orma de energía que se puede trans ormar en trabajomecánico, en el sistema internacional de unidades el calor se mide en 5ulios $5&.(a relación que existe entre las unidades anteriores, es la siguiente6



/ cal78,/9:5'/ cal7;,<:2 3'/ 2 3 7 /.0=0,: 5

!demás, como el calor se trans orma en trabajo, +ay una relación que sedenomina el equi%alente mecánico del calor, cuyas relaciones son6

/2 37>>9pie?lb./ cal 7 8@> m? g.

Esto signifca que 8@> m? g de energía mecánica, cuando se con%ierten encalor, subirán o disminuirán la temperatura de / g de agua en A -*.Agualmente signifca que >>9 pie?lb de energía mecánica, cuando se con%iertenen calor, ele%aran o disminuirán la temperatura de / Ab masa de agua en / -4.

2 TERMINOLOGÍA QUÍMICA FUNDAMENTAL

!ntes de defnir la combustión debemos considerar algunas defniciones y

+ec+os undamentales relacionados con la química. Buímica es la parte de lasciencias naturales que trata de la composición de las sustancias y de lastrans ormaciones de la composición que su ren las sustancias. Estastrans ormaciones se llaman reacciones químicas. (as reacciones químicas sonexotérmicas, cuando el calor sale o se desprende del sistema, o endotérmicas,cuando absorben calor del medio que rodea al sistema.

ara comprender mejor la idea de las reacciones químicas seguimos conalgunos conceptos de química elemental.

2.1 Elemento qu m!"o

Es toda sustancia básica, aquella que no puede di%idirse para dar otrassustancias. Elementos químicos característicos que se encuentran al estudiarmotores son, por ejemplo, oxígeno, carbono, +ierro, a"u re, etc.

(a porción más peque)a que puede encontrarse de un elemento es un átomo.#i un átomo se di%ide, el elemento desaparece y no queda sino las partículasque tienen en común todas las sustancias materiales, como son protones,neutrones y electrones, que combinados de distintas maneras orman losátomos de los elementos. (os elementos que existen en la naturale"a estándescritos en la abla eriódica de los Elementos.

2.2 Com#ue$to

(os átomos de un mismo elemento son todos idénticos. or el contrario, uncompuesto contiene átomos de dos o más elementos. or ejemplo, cuando loselementos carbono y oxígeno se unen químicamente durante la combustión, seproduce an+ídrido carbónico, y éste es un compuesto de oxígeno y carbono.

2.% Mol&"ula



3na molécula es la reunión de dos o más átomos del mismo o de di erenteselementos, la cual actúa como unidad, estando sus átomos ligados poratracciones mutuas. Cic+o de otra orma, una molécula de un elemento o deun compuesto es la partícula más peque)a de materia que puede mantener suidentidad separada.

(as moléculas de los elementos +abitualmente gaseosos que se encuentran alestudiar motores, es decir oxígeno e +idrógeno, se componen en ambos casosde dos átomos.

! e ectos de bre%edad, en la descripción de las sustancias químicas o de susreacciones, cada elemento se representa por un símbolo, o cada compuesto serepresenta mediante una combinación de dic+os símbolos. or ejemplo, elcarbono es * y una molécula de oxígeno es D @, lo que signifca que unamolécula de oxigeno contiene dos átomos. *uando una molécula de carbono seune a una molécula de oxigeno, el producto es el compuesto llamado an+ídridocarbónico, que se representa *D@ $el an+ídrido carbónico puede llamarsetambién dióxido o bióxido de carbono y dióxido o bióxido signifca dos átomosde oxígeno&.

2.' Pe$o at(m!"o

odos los átomos de un mismo elemento tienen la misma masa $dejando delado tecnicismos acerca de los isótopos, de los que tratan la ísica y laingeniería nuclear, pero para el objeti%o de este manual no interesa&. #inembargo, la masa de un átomo de oxígeno es muc+o mayor que la del átomode +idrógeno' en realidad, es /= %eces mayor.

*omo el +idrógeno es el más ligero de los elementos, se toma su masa comounidad de re erencia, y se dice que el peso atómico $p.a& de un elemento es la

masa de su átomo di%idida por la masa del átomo de +idrógeno' es decir, elpeso atómico es un número relati%o que indica cuantas %eces un elementopesa más que el más li%iano de los elementos.

2.) Pe$o mole"ular

omando como base al más li%iano de los elementos, el +idrógeno $ &, a él sele asignó un peso atómico de /@. ero el +idrógeno en la naturale"a abundamás en su orma molecular de @. !sí es que el peso molecular de @ es @.#imilarmente, el oxígeno $D&, tiene un peso atómico de /=, pero como abundaen la naturale"a en orma de D @, su peso molecular es ;@, indicando que pesa;@ %eces más que el +idrógeno, . (a orma más abundante en la naturale"a

del carbono es * y tiene un peso atómico de /@, que indica que pesa /@ %ecesmás que el +idrógeno, .

2.* Mol

3na mol $abre%iatura de molécula gramo& es la cantidad de una sustancia cuyopeso es su peso molecular expresado en gramos o 1ilogramos o libras. orejemplo, una mol de +idrógeno @, pesa @ gramos. 3na mol de nitrógeno, F @,pesa @9 gramos' una mol de oxígeno, D @, pesa ;@ gramos, etc. #e puede +ablar



también de ilogramo?mol $que son /.000 moles y se abre%ia mol&, ysimilarmente de libra?mol $7 8:;,= moles& en el sistema ingles.

En la tabla :./ se presentan los pesos atómicos de los elementos queinter%ienen o reaccionan en la combustión que tiene lugar en los motores,incluyendo sus símbolos y pesos moleculares.

Tabla 5 1 El!"!#tos $%! !#t&a# !# &!a''ió# !# !l p&o'!so(! 'o"b%stió#

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