Principios Termodinámicos y Ciclos de Motores de Combustión Interna

Transformaciones Termodinámicas y Ciclos de Motores

2.1.3 Transformaciones Termodinámicas Fundamentales

En el estudio de la termodinámica, las transformaciones o procesos se clasifican según las propiedades que permanecen constantes durante la evolución de un sistema. Las principales son:

• Isócoras (o a volumen constante): El sistema evoluciona sin variar su volumen.
• Isóbaras (o a presión constante): El sistema evoluciona sin variar su presión.
• Isotérmicas (o a temperatura constante): El sistema evoluciona sin cambiar su temperatura.
• Adiabáticas (o isentrópicas): El sistema evoluciona sin intercambiar calor con el exterior. Como no hay intercambio de calor, la entropía es constante, por eso también se llama isentrópica.

2.1.4 El Ciclo Térmico: El Ejemplo del Ciclo de Carnot

Para el estudio teórico de motores de combustión interna, todas las transformaciones se consideran reversibles. Un ejemplo clásico es el ciclo de Carnot. Este debe imaginarse como un pistón que se desplaza por un cilindro sin fricción, el cual contiene gas. Las paredes del cilindro son adiabáticas (no permiten transferir calor) excepto en los momentos en que se aporta y se cede calor.

El ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos reversibles:

• Proceso 1-2: Expansión Isotérmica. Con el pistón en reposo, se sitúa un foco térmico que emite calor a una temperatura determinada. El gas experimenta una expansión isotérmica y el volumen del cilindro aumenta.
• Proceso 2-3: Expansión Adiabática. Se retira el foco caliente y el gas continúa expandiéndose adiabáticamente, ya que está aislado del exterior.
• Proceso 3-4: Compresión Isotérmica. Se coloca un foco térmico frío que absorbe una cantidad de calor del sistema. Entonces, el gas sufre una compresión isotérmica y el volumen del cilindro disminuye.
• Proceso 4-1: Compresión Adiabática. Se retira el foco frío y el sistema se aísla del exterior. El gas continúa comprimiéndose adiabáticamente hasta alcanzar su estado inicial.

Es importante destacar que si las transformaciones se realizan en el sentido de las agujas del reloj, el trabajo es positivo (la máquina produce trabajo). Si son en sentido opuesto, se denomina trabajo negativo (hay que aportar trabajo a la máquina térmica).

2.2 Ciclos Teóricos de Trabajo y Componentes del Motor

2.2.1 Elementos Constructivos Básicos de un Motor de Combustión Interna Alternativo

Para que un motor de combustión interna alternativo pueda realizar un ciclo de trabajo, requiere de los siguientes elementos constructivos básicos:

• Cilindro: Contiene el fluido que sufrirá las transformaciones termodinámicas necesarias para realizar un ciclo. Su volumen variará cuando comprima y expanda el fluido.
• Pistón: Comprime el fluido cuando asciende y lo hace descender la combustión de los gases. Su movimiento es lineal y va desde el Punto Muerto Inferior (PMI) hasta el Punto Muerto Superior (PMS).
• Biela-Manivela: Convierte el movimiento lineal del pistón en el movimiento rotativo del cigüeñal para obtener par motor.
• Sistema de Admisión y Escape: Permite la admisión de gases frescos y la salida de los gases quemados. Esto se logra mediante válvulas de admisión y escape en motores de 4 tiempos, y lumbreras en motores de 2 tiempos.