Fundamentos de Termodinámica y Motores Reciprocantes
1. ¿Cómo se compara la eficiencia térmica de un ciclo ideal con uno de Carnot que opera en los mismos límites de temperatura?
La eficiencia del ciclo ideal es más baja, ya que el ciclo de Carnot es el que obtiene la mayor eficiencia. Un ciclo ideal maneja procesos internamente reversibles, pero no lo son de forma externa como en el ciclo de Carnot, lo que puede incluir irreversibilidades externas.
2. ¿Qué representa el área encerrada en un ciclo en un diagrama P-V y en un T-S?
En ambos representa el trabajo neto producido durante el ciclo, que es equivalente a la transferencia de calor del mismo.
3. ¿Qué son las suposiciones de aire estándar?
Son suposiciones que nos ayudan en gran medida para el análisis, ya que con gases reales todo se vuelve muy complejo:
- El fluido es aire que circula en un circuito cerrado como gas ideal.
- Todos los procesos son internamente reversibles.
- La combustión se sustituye por adición de calor.
- El proceso de escape cambia por uno de rechazo de calor.
4. ¿Cuáles son las diferencias entre suposiciones de aire estándar y aire estándar frío?
La única diferencia es que con el aire estándar frío se agrega una suposición más: que el aire tiene calores específicos constantes, cuyos valores se determinan a la temperatura ambiente.
5. ¿Cuál es la diferencia entre el volumen de espacio libre y el volumen de desplazamiento en motores reciprocantes?
El volumen de espacio libre es el que se forma cuando el pistón está en PMS (Punto Muerto Superior), y el volumen de desplazamiento es el que se mueve entre PMS y PMI (Punto Muerto Inferior).
6. Defina la relación de compresión para motores reciprocantes:
Es la relación entre el volumen máximo formado en el cilindro y el volumen mínimo (espacio libre).
7. ¿Cómo se define la Presión Media Efectiva (PME) en motores reciprocantes?
Es una presión ficticia que, si actuara sobre el pistón durante la carrera de potencia, produciría la misma cantidad de trabajo que el ciclo real.
$$\text{PME} = \frac{\text{W}_{\text{neto}}}{\text{V}_{\text{max}} – \text{V}_{\text{min}}}$$
8. ¿La Presión Media Efectiva en un motor de auto en operación puede ser menor a la atmosférica?
Sí, pero bajo ciertas condiciones, por ejemplo, con un motor de baja carga o que tenga pérdidas significativas por fricción o bombeo.
9. Cuando un carro se vuelve viejo, ¿cambia la relación de compresión? ¿Qué sucede con la PME?
La relación de compresión se mantiene constante, ya que los volúmenes no varían. En cambio, la PME cambia, ya que un carro viejo entrega menos trabajo neto.
10. ¿Cuál es la diferencia entre los motores de encendido por chispa y los encendidos por compresión?
En un motor por chispa, una bujía la genera, produciendo la combustión, y en la compresión, el combustible se autoenciende al superar su temperatura de autoencendido.
11. Defina los siguientes conceptos: carrera, calibre, PMS y volumen de espacio libre.
- Carrera: Distancia que recorre el pistón en el cilindro (va de PMS a PMI).
- Calibre: Diámetro del pistón.
- PMS (Punto Muerto Superior): Es el punto más alto que alcanza el pistón en la carrera y forma el menor volumen.
- Volumen de espacio libre: Volumen mínimo en el cilindro cuando el pistón está en PMS.
Ciclo Otto
1. ¿Cómo se relacionan las RPM de un motor real de 4 tiempos con el número de ciclos termodinámicos? ¿Cuál sería su respuesta para un motor de 2T?
En un motor de 4T se necesitan 2 revoluciones para completar un ciclo termodinámico, ya que 2 carreras son enteramente mecánicas. En un motor de 2T, al combinar los procesos en solo 2 carreras, permite generar un ciclo termodinámico por cada revolución.
2. ¿Cómo se comparan las eficiencias del ciclo ideal Otto y el ciclo de Carnot para los mismos límites de temperatura?
Un ciclo ideal Otto implica irreversibilidades externas, por lo cual tiene menor eficiencia que el ciclo de Carnot.
3. ¿Cuáles son los 4 procesos que constituyen un ciclo Otto?
- 1-2: Compresión isentrópica.
- 2-3: Adición de calor a volumen constante (V ctc).
- 3-4: Expansión isentrópica.
- 4-1: Rechazo de calor a volumen constante (V ctc).
4. ¿Los procesos que constituyen el ciclo Otto se analizan como procesos de sistema cerrado o flujo estable? ¿Por qué?
Se analiza en un sistema cerrado, ya que así no se toman en cuenta cambios en la energía cinética ni potencial.
5. ¿Cómo cambia la eficiencia térmica de un ciclo Otto ideal con la relación de compresión y la relación de calores específicos?
Está muy estrechamente relacionado, ya que al aumentar cualquiera de los dos (relación de compresión o relación de calores específicos, $k$), también aumenta la eficiencia.
6. ¿Por qué no se usan altas relaciones de compresión en los motores de chispa?
Debido a que, aunque aumenta la eficiencia, se pueden crear problemas como que el combustible se puede autoencender de forma temprana (detonación) y un rápido quemado de combustible en algún punto.
7. Un ciclo Otto ideal con una relación de compresión específica se ejecuta usando: a) aire, b) argón, c) etano. ¿Cuál tendrá la eficiencia más alta y por qué?
El ciclo que usa argón tendrá la eficiencia más alta, ya que es un gas monoatómico y tiene una relación de calores específicos ($k$) más alta.
8. ¿Cuál es la diferencia entre los motores de gasolina con inyección de combustible y los motores diésel?
La forma mediante la cual se enciende el combustible: en los motores de gasolina es mediante la bujía (encendido por chispa), mientras que en los diésel es por compresión.
Ciclo Diésel
1. ¿En qué se distingue un motor diésel de uno de gasolina?
En que en este tipo de motores el encendido es por compresión del combustible, por lo que no hay bujía.
2. ¿En qué se distingue el ciclo ideal Diésel del Otto?
En lo único que se distingue es que en el ciclo Diésel el proceso de adición de calor se obtiene a presión constante, ya que la combustión sucede en un tiempo más largo.
3. ¿Por qué, para una relación de compresión específica, es más eficiente un motor de gasolina (Ciclo Otto) que uno diésel?
El motor de gasolina es más eficiente debido a que en un ciclo diésel se involucra la relación de corte ($ ext{r}_c$), que influye negativamente en la fórmula de eficiencia.
4. ¿Cuáles motores operan con relaciones de compresión más altas y por qué?
Los motores diésel pueden trabajar con relaciones de compresión más altas debido a que solo comprimen aire, y después se inyecta el combustible, eliminando el problema de la combustión temprana (detonación).
5. ¿Cuál es la relación de corte? ¿Cómo afecta la eficiencia del ciclo Diésel?
Es la relación entre los volúmenes del cilindro antes y después de la adición de calor (combustión). Afecta ya que, entre menor sea este valor, mayor será la eficiencia.