Sentido natural de los procesos€¦ · En el universo, la entropía siempre aumenta. ' ' ' f cal...
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Sentido natural de los procesos
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Sentido natural de los procesos
Sentido natural de los procesos
H H
H H
H H
H H
H H
H H
H H
H H O O
O O
O O
O O
dos volumenes de H un volúmen de O
HH
O
HH
O
HH
O
H HO
dos volumenes de moléculas de agua
HH
O
H HO
HH
O
HH
O
Sentido natural de los procesos
sustancia a temperatura
elevada T1
sustancia a temperatura
fría T2
Q
Sentido natural de los procesos
Degradación
de la energía
Energía mecánica
energía química
energía eléctrica
Energía
cinética
molecular calor
Procesos naturales tienden a estados de mayor
probabilidad
Procesos reversibles
(isotérmicos, adiabáticos,
isocoros, isobáricos).
Son ideales
Procesos irreversibles
(disipativos).
reales
S Nklnw
Entropía (S) (transformación)
Es una cantidad térmica simple que expresa con propiedad el
cambio en la probabilidad del estado del sistema cuando se
introduce calor
(Rudolf Clausius. 1865)
N: nro de partículas
k=cte de Boltzman
w: probabilidad del estado
Es una función de estado
E=E(P,V,T,U,S)
QdS
T
Segunda ley de la termodinámica
En los procesos
reversibles
El cambio en la entropía es el cociente entre el calor
intercambiado y la temperatura absoluta en el
intervalo de intercambio
En el universo, la entropía
siempre aumenta.
f
cal1gx80
mL g calS 0,29
T 273K KJ J
S 0,29x4,18 1,21K K
JS 1,21
K
Segunda ley de la termodinámica
1g de hielo a 0ºC
se funde
1 2dS dS 0
Segunda ley de la termodinámica
En un proceso reversible la suma de los cambios de entropía del
ambiente y el sistema es nula
1 2dS dS 0En un proceso irreversible la entropía del ambiente y el sistema
aumenta
UdS 0La entropía del universo está siempre en aumento
Segunda ley de la termodinámica
No existe un ciclo en el que se
transfiera calor de una fuente
fría a una fuente caliente
Clausius
No es posible
Segunda ley de la termodinámica
No se puede transformar
totalmente en trabajo el
calor tomado de una
fuente caliente
Kelvin
Planck
No es posible
Máquinas térmicas
es posible
No es posible
(violación de enunciado de
Kelvin Planck)
Móvil perpetuo de segunda
especie
Máquinas térmicas
es posible
No es posible
(violación de enunciado de
Clausius)
Móvil perpetuo de segunda
especie
1 2 2
1 1 1
Q Q QWe 1
Q Q Q
Rendimiento de una Máquina
térmica
1 1
1 2
Q Qe
W Q Q
Rendimiento de una Máquina
térmica
Ciclo de Carnot Sadi Carnot, 1824
V4
V3
V4V1
V2
V3
V1
V2
P1 ,V1 ,T1P2 ,V2 ,T1
P3 ,V3 ,T2P4 ,V4 ,T2
Q1
Q2
a b
cd
Ciclo de Carnot Sadi Carnot, 1824
V
P
V1 V2 V3V4
P1
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P3
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a
b
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Q2
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T2
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Ciclo de Carnot Sadi Carnot, 1824
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V
2
4 32 2 2
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V VQ nRT ln nRT ln
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V
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V
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Ciclo de Carnot Sadi Carnot, 1824
V
P
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V V
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V
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V
V
Ciclo de Carnot Sadi Carnot, 1824
V
P
V1 V2 V3V4
P1
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W
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Ciclo Otto y Diesel
V
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W
V
P
V1V2 V3
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a
b c
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Q1
W
CICLO OTTO Máquinas de encendido de chispa.
Características
El ciclo no implica fricción.
Procesos de expansión y compresión se dan en forma de cuasi
equilibrio.
Las tuberías aisladas (pérdida de calor despreciable).
Aire Estándar
El fluido de trabajo es aire y se comporta como un gas ideal.
Todos los procesos internos reversibles.
La combustión se sustituye por un proceso de adición de calor externo.
El proceso de escape se sustituye por un proceso de rechazo de calor.
Fases del Ciclo Otto:
Admisión.
Compresión.
Combustión (carrera de fuerza).
Escape.
Admisión:
La válvula de admisión se abre y se aspira una carga de aire y combustible a
una presión, teóricamente, igual a la atmosférica, provocando el descenso del
pistón. La válvula de escape permanece cerrada.
En el ciclo real la presión del gas durante la aspiración es inferior a la presión
atmosférica, por lo tanto, el cierre de la válvula de admisión se produce
después que el pistón llega al extremo inferior de su carrera, es decir, se
prolonga el período de admisión y entra en el cilindro la máxima cantidad de
mezcla de aire y combustible.
Compresion:
No existe intercambio de calor entre el gas y las paredes del cilindro. La
válvula de admisión y la de escape están cerradas y el pistón comienza a
subir, comprimiendo la mezcla que se vaporiza.
En el ciclo real, el gas cede calor al cilindro, por consiguiente el gas se enfría y
adquiere menos presión.
Combustion:
Ambas válvulas permanecen cerradas. Al llegar el pistón a la parte superior de
su carrera, el gas comprimido se inflama por la chispa de la bujía. La
combustión de toda la masa gaseosa es instantánea, por lo tanto el volumen
no variará, y la presión aumentará rápidamente. En el ciclo real la combustión
no es instantánea y el volumen de la mezcla va variando mientras se propaga
la inflamación.
Expansion:
El gas inflamado empuja al pistón. Durante la expansión, no hay intercambio
de calor, al aumentar el volumen, la presión aumenta.
El aumento de la temperatura en el interior del cilindro durante la combustión
produce, en la expansión, que los gases cedan calor al cilindro y se enfrían,
dando como resultado una presión menor.
Escape:
Cuando el pistón se encuentra en el extremo inferior de su recorrido, la válvula de admisión permanece cerrada y se abre la de escape, disminuyendo rápidamente la presión, sin variar el volumen interior. Luego manteniéndose la presión igual a la atmosférica, el volumen disminuye. En la realidad el escape no se hace instantáneamente, sino que en este
período los gases tienen aún una presión superior a la atmosférica.
2
1
Qe 1
Q
Ciclo Otto
V
P
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P1
P2
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Ciclo Otto
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Ciclo Otto
V
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si 1,4
V8
V
1,4 1e 1 8 0,56
CICLO DIESEL
CICLO IDEAL PARA LAS MAQUINAS DE ENCENDIDO
POR COMBUSTIÓN
Rudolf Diesel
Rudolf Diesel desarrolló la idea del motor diesel y obtuvo la patente
alemana en 1892.
El aire se comprime hasta una temperatura superior a la temperatura
de autoencendido del combustible y la combustión inicia al contacto,
cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente.
No hay posibilidad de autoencendido, ya que el aire solo se comprime
durante el tiempo de compresión
Ciclo ideal se obtiene como un proceso de adición de calor a presión
constante
DIFERENCIAS Diesel & Gasolina
Un motor a gasolina succiona una mezcla de gas y aire, los comprime y enciende la mezcla con una
chispa. Un motor diesel sólo succiona aire, lo comprime y entonces le inyecta combustible al aire
comprimido. El calor del aire comprimido enciende el combustible Espontáneamente.
Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina. Un motor a gasolina comprime
a un porcentaje de 8:1 a 12:1, mientras un motor diesel comprime a un porcentaje de 14:1 hasta 25:1.
La alta compresión se traduce en mejor eficiencia. Los motores diesel utilizan inyección de combustible
directa, en la cual el combustible diesel es inyectado directamente al cilindro.
Los motores a gasolina generalmente utilizan carburación en la que el aire y el combustible son mezclados un
tiempo antes de que entre al cilindro, o inyección de combustible de puerto en la que el combustible es inyectado a
la válvula de succión (fuera del cilindro).
La eficiencia de los motores diesel, que en general depende de los mismos factores que los motores Otto, es mayor
que en cualquier motor de gasolina, llegando a superar el 40%.
Los motores diesel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto
(rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, algunos tipos de motores
diesel pueden alcanzar las 2.000 rpm. Como el grado de compresión de estos motores es de 14 a 1, son por lo
general más pesados que los motores Otto, pero esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho
de que utilizan combustibles más baratos.
Applet
Note que el motor diesel no tiene bujía, se toma el aire y
lo comprime, y después inyecta el combustible
directamente en la cámara de combustión (inyección
directa). Es el calor del aire comprimido lo que enciende
el combustible en un motor diesel.
En esta animación simplificada, el aparato verde pegado
al lado izquierdo del cilindro es un inyector de
combustible.
El inyector debe ser capaz de resistir la temperatura y la
presión dentro del cilindro y colocar el combustible en un
fino rocío.
Mantener el rocío circulando en el cilindro mucho tiempo, es
un problema, así que los motores diesel de alta eficiencia
utilizan válvulas de inducción especiales, cámaras de
precombustión u otros dispositivos para mezclar el aire en
la cámara de combustión y para que por otra parte mejore
el proceso de encendido y combustión.
Un motor diesel siempre inyecta su
combustible directamente al cilindro,
y es inyectado mediante una parte
del choque de poder. Esta técnica
mejora la eficiencia del motor diesel
con respecto a la del motor de
gasolina.
Cuando el motor diesel está frío, el
proceso de compresión no debe
elevar el aire a una temperatura
suficientemente alta para encender
el combustible.
