Análisis Del Motor De Combustión Interna Desde Un Puto De Vista Termodinámico Y De Transferencia De Calor.

INTRODUCCIÓN

Los motores térmicos son maquinas que tienen por objeto transforma energía calorífica en energía mecánica directamente utilizable. Se conocen como motores de combustión interna o endotérmicos a cualquier tipo de maquina, las cuales a partir de energía química proporcionada con capaces de convertirla y obtener energía mecánica directamente utilizable. La energía química transformada es proveniente de una combustible que se lleva a cabo en su interior, la cual es producida por el fluido activo, o bien la mezcla se combustible, ya sea gaseoso o liquido, con el comburente.

En los motores de combustión interna la energía se libera mediante el encendido y la oxidación del combustible dentro del motor a diferencia de los de combustión externa como por ejemplo un horno industrial o una caldera. El fluido de trabajo cambia su composición química antes y después de la combustión y es el encargado de transferir el trabajo al pistón que posteriormente se encarga de transferirlo al resto de los componentes de la cadena cinemática hasta llegar finalmente a las ruedas impulsoras del movimiento.

CONCEPTOS TERMODINÁMICOS APLICADOS AL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

El estudio del calor y el proceso de combustión es muy importante para el técnico, dado que en la mayoría de los ciclos de los motores térmicos, y específicamente para nuestro caso, en los de combustión interna, el calor liberado en el proceso de combustión constituye la fuente de energía de la que dispone el motor para su posterior transformación en energía cinética o trabajo mecánico útil.

A continuación se expondrá de una manera simple los conceptos de calor y de combustión, y las reacciones químicas más importantes que tienen lugar cuando se quema un combustible para producir calor. Para ello, se examinará los principios básicos y elementales que rigen estos fenómenos.

Además, se expondrán algunas nociones de química, encaminadas a facilitar la comprensión de los cambios de naturaleza química que tienen lugar cuando se queman combustibles.

 CALOR

Se define el calor como energía en estado de transferencia o transición (movimiento) desde un cuerpo a otro, a consecuencia de la diferencia de temperaturas entre los cuerpos. Es decir, el cuerpo que se encuentra a mayor temperatura cederá energía al cuerpo de menor temperatura; ya sea, por contacto directo o a través de un medio de transferencia.

La energía que constituye el calor procede de los movimientos de pequeñísimas partículas llamadas moléculas, de las que están compuestos los cuerpos. Estas partículas en cualquier cuerpo incluso en trozos de metales solidificados se mueven erráticamente de forma continua, describiendo trayectorias muy cortas; tan cortas que no son visibles ni siquiera con microscopios de gran aumento.

Cuando se transfiere o cede calor a un cuerpo, lo que ocurre es que las moléculas del cuerpo adquieren más energía y comienzan a moverse más deprisa y con trayectorias más largas. Si el cuerpo es un sólido, como es el caso de un cilindro de un motor, éste se calienta, porque sus moléculas se mueven muy rápidamente; y si utilizamos un termómetro para medir la temperatura en el interior del cilindro, se encontrará que ella se ha elevado. En otras palabras, mayor temperatura en un cuerpo significa mayor velocidad de las moléculas.

Los cuerpos sólidos tienen formas invariables, pero un gas (como el aire) se expande libremente y llena todo el recipiente que lo contiene, cualquiera sea su tamaño. Las moléculas de un gas se encuentran entonces chocando continuamente con las paredes del recipiente, produciendo como resultado una fuerza que es posible medir a través de lo que llamamos presión del gas.

Cuando se suministra calor a un gas sus moléculas se mueven más deprisa y con trayectorias más largas y se calienta. Si el gas está encerrado en un espacio fijo, los golpes más fuertes con que las moléculas chocan contra las paredes se manifiestan por un aumento de presión.

Todo esto es precisamente lo que ocurre cuando el combustible se quema en el interior de los cilindros de un motor. Al quemarse, el combustible comunica calor a los gases encerrados en la cámara de combustión y aumenta la presión con que los gases actúan sobre las superficies que forman el recinto.

Como una de dichas superficies, la cara de fuego del pistón, es movible, consecuentemente el incremento de presión produce el movimiento descendente del pistón durante la fase de combustión o explosión, Al tiempo que el pistón desciende, aumenta el espacio ocupado por los gases, por lo cual el volumen de los gases se hace mayor, y se dice que éstos se expanden o dilatan.

El calor, como la energía mecánica, es algo intangible, y una unidad de calor no es una cosa que pueda conservarse en un laboratorio de medidas. La cantidad de calor que interviene en un proceso se mide por algún cambio que acompaña, y una unidad de calor se define como el calor necesario para producir alguna transformación de tipo convenido.

En el sistema métrico, la unidad del calor es la caloría (cal), definida como la cantidad de calor necesaria para elevar o disminuir en un grado centígrado (°C), la temperatura de un gramo de masa de agua. En muchos trabajos de ingeniería, por ser la caloría una unidad pequeña, se utiliza la Kilocaloría (1000 calorías); que es la cantidad de calor necesaria para elevar o disminuir en un °C, la temperatura de un kilogramo de masa de agua.

En el sistema ingles de unidades, el calor se mide con la unidad térmica británica (British Termal Unit o BTU), que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar o disminuir en un grado Fahrenheit (°F), la temperatura de una libra masa de agua.

Como el calor es una forma de energía que se puede transformar en trabajo mecánico, en el sistema internacional de unidades el calor se mide en Julios (J). La relación que existe entre las unidades anteriores, es la siguiente:

1 Kcal = 4,185 J;

1 Kcal = 3,95 BTU;

1 BTU = 1.060,5 J

Además, como el calor se transforma en trabajo, hay una relación que se denomina el equivalente mecánico del calor, cuyas relaciones son:

1 BTU = 778 pie-lb.

1 Kcal = 427 m-Kg.

Esto significa que 427 m-Kg de energía mecánica, cuando se convierten en calor, subirán o disminuirán la temperatura de 1 Kg de agua en I °C. Igualmente significa que 778 pie-lb de energía mecánica, cuando se convierten en calor, elevaran o disminuirán la temperatura de 1 Ib masa de agua en 1 °F.

 TERMINOLOGÍA QUÍMICA FUNDAMENTAL

Antes de definir la combustión debemos considerar algunas definiciones y hechos fundamentales relacionados con la química. Química es la parte de las ciencias naturales que trata de la composición de las sustancias y de las transformaciones de la composición que sufren las sustancias. Estas transformaciones se llaman reacciones químicas. Las reacciones químicas son exotérmicas, cuando el calor sale o se desprende del sistema, o endotérmicas, cuando absorben calor del medio que rodea al sistema.

Para comprender mejor la idea de las reacciones químicas seguimos con algunos conceptos de química elemental.

 ELEMENTO QUÍMICO

Es toda sustancia básica, aquella que no puede dividirse para dar otras sustancias. Elementos químicos característicos que se encuentran al estudiar motores son, por ejemplo, oxígeno, carbono, hierro, azufre, etc.

La porción más pequeña que puede encontrarse de un elemento es un átomo. Si un átomo se divide, el elemento desaparece y no queda sino las partículas que tienen en común todas las sustancias materiales, como son protones, neutrones y electrones, que combinados de distintas maneras forman los átomos de los elementos. Los elementos que existen en la naturaleza están descritos en la Tabla Periódica de los Elementos.

 COMPUESTO

Los átomos de un mismo elemento son todos idénticos. Por el contrario, un compuesto contiene átomos de dos o más elementos. Por ejemplo, cuando los elementos carbono y oxígeno se unen químicamente durante la combustión, se produce anhídrido carbónico, y éste es un compuesto de oxígeno y carbono.

 MOLÉCULA

Una molécula es la reunión de dos o más átomos del mismo o de diferentes elementos, la cual actúa como unidad, estando sus átomos ligados por atracciones mutuas. Dicho de otra forma, una molécula de un elemento o de un compuesto es la partícula más pequeña de materia que puede mantener su identidad separada.

Las moléculas de los elementos habitualmente gaseosos que se encuentran al estudiar motores, es decir oxígeno e hidrógeno, se componen en ambos casos de dos átomos.

A efectos de brevedad, en la descripción de las sustancias químicas o de sus reacciones, cada elemento se representa por un símbolo, o cada compuesto se representa mediante una combinación de dichos símbolos. Por ejemplo, el carbono es C y una molécula de oxígeno es O2, lo que significa que una molécula de oxigeno contiene dos átomos. Cuando una molécula de carbono se une a una molécula de oxigeno, el producto es el compuesto llamado anhídrido carbónico, que se representa CO2 (el anhídrido carbónico puede llamarse también dióxido o bióxido de carbono y dióxido o bióxido significa dos átomos de oxígeno).

 PESO ATÓMICO

Todos los átomos de un mismo elemento tienen la misma masa (dejando de lado tecnicismos acerca de los isótopos, de los que tratan la física y la ingeniería nuclear, pero para el objetivo de este manual no

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