Conceptos Clave en Termodinámica y Motores: Ciclo de Carnot, Tipos y Potencia

Ciclo de Carnot

El Ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal que se produce en un equipo o máquina cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de una fuente de mayor temperatura y cediendo un calor Q2 a otra de menor temperatura, produciendo un trabajo sobre el exterior. Consta de cuatro etapas:

1. Expansión isoterma (a temperatura constante)
2. Expansión adiabática (aislado térmicamente)
3. Compresión isoterma (a temperatura constante)
4. Compresión adiabática (aislado térmicamente)

Procesos Termodinámicos

• Reversible: Este es un proceso que, una vez que ocurre, se puede revertir (correr en la dirección opuesta) sin causar cambios netos en el sistema o su entorno circundante.
• Irreversible: Este es un proceso que no puede ser revertido sin dejar cambios en el sistema o su entorno. El estado intermedio de la transición no está en equilibrio.

Tipos de Motores: 2 Tiempos vs 4 Tiempos

La principal diferencia entre estos dos tipos de motores radica en la forma en que se completa el ciclo de funcionamiento.

Motor de 4 Tiempos

Utiliza cuatro movimientos lineales del pistón (dos carreras de subida y dos de bajada) y dos vueltas completas del cigüeñal para completar un ciclo de potencia.

Ventajas:

• Menor consumo de combustible.
• Otorga mayor autonomía.
• Motor más confiable.

Desventajas:

• Mayor peso.
• Reparación más costosa.
• Menor potencia específica (potencia por cilindrada) en comparación con un motor de 2 tiempos.

Motor de 2 Tiempos

Utiliza dos movimientos lineales del pistón (una carrera de subida y una de bajada) y una vuelta completa del cigüeñal para completar un ciclo de potencia.

Ventajas:

• No requiere eje de levas.
• Su construcción es más sencilla.
• Desarrolla mayor potencia específica (potencia por cilindrada).

Desventajas:

• Es un motor más contaminante.
• No se aprovecha todo el combustible que ingresa.
• Menor rendimiento térmico.

Motores de Combustión Interna y Externa

Motor de Combustión Interna

Es un motor en el que el combustible se quema dentro de un área cerrada (la cámara de combustión). Ejemplos comunes incluyen motores de automóviles, motocicletas y motores de aviones de pistón.

Motor de Combustión Externa

Es un tipo de motor en el que la combustión ocurre fuera del cilindro o área de trabajo principal. El calor generado se transfiere a un fluido de trabajo que luego produce movimiento. Ejemplos históricos incluyen máquinas de vapor. El texto original menciona ejemplos como aviones turbohélice y cohetes, lo cual es una simplificación; en estos, la combustión ocurre internamente, pero la forma en que se utiliza la energía difiere de los motores de pistón alternativos.

Motores de Combustión Alternativos (Motor de Pistón)

También a menudo llamados motor de pistón o motor de émbolo, y vulgarmente conocidos como motores de explosión o motores diésel, son motores térmicos en los que los gases generados en la reacción exotérmica resultante de un proceso de combustión empujan un émbolo o pistón en un movimiento alternativo. Este movimiento desplaza el pistón en el interior de un cilindro y, a través de un mecanismo biela-manivela, hace girar un cigüeñal, obteniendo finalmente un movimiento de rotación.

Balance de Potencia en Motores

En el análisis de la potencia en un motor, se consideran diversas pérdidas y potencias:

• Pab = V * I: Potencia absorbida (eléctrica, si aplica).
• PCu1 estator calor = Efecto Joule: Pérdidas de potencia en el estator debido al efecto Joule (calor por resistencia eléctrica).
• PCu2 rotor calor = Efecto Joule: Pérdidas de potencia en el rotor debido al efecto Joule.
• Pei = Potencia interna del motor: Potencia generada internamente antes de pérdidas mecánicas.
• Pfe = Pérdida del hierro: Pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en los elementos metálicos del motor.
• Pm = Pérdidas mecánicas: Pérdidas por fricción en cojinetes, ventilación, etc.
• Pu = Potencia útil: Potencia disponible en el eje de salida del motor.