2. 6.1
El ingeniero francés Nicolas L. Sadi Carnot
fue el primero que abordó el problema
del η de un motor térmico,
prescindiendo de su funcionamiento,
llegando a la expresión:
El motor térmico tendrá mejor η cuando el
tubo que representa (Qc-Qf) sea lo
más ancho posible y el tubo que
representa el calor que cede por el
escape Qf sea lo más estrecho.
η = (Qc – Qf)/Qc = 1 – Qf/Qc
Motor térmico
1
Ciclo de Carnot
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/carnot.html
3. Suponemos un gas ideal y el motor funciona
entre dos focos de calor, el caliente a Tc y el frío
a Tf.
El ciclo se realiza en 4 tiempos mostrados en el
diagrama p-V de la fig.
•T1: Expansión isotérmica de M1 a M2 a la
temperatura Tc=T1=T2 (ºK). El W exterior
realizado será el área:
W1 = Qc = nRTc lnV2/V1
•T2: Expansión adiabática hasta la siguiente
isoterma Tf=T3=T4, no hay intercambio de Q con
el exterior y la ecuación de estado es:
T γ-1 γ-1
2/T3 = (V3/V2) o Tc/Tf = (V3/V2)
2
4. •T3: Compresión isoterma a Tf cediendo al
foco frío una cantidad de Qf, con un
consumo de W exterior:
W2 = Qf =nRTf ln V3/V4
•T4: Compresión adiabática de T4=Tf a
T1=Tc finalizando el ciclo. La ecuación de
estado es:
T γ-1 γ-1
1/T4 = (V4/V1) o Tc/Tf = (V4/V1)
Comparando T2 y T4 se puede establecer la
relación de volúmenes:
Tc/Tf = (V3/V2)γ-1
= (V4/V1)γ-1
→ V3/V2 = V4/V1 → V3/V4 = V2/V1
3
5. Sustituyendo en la ecuación del rendimiento:
4
El η del ciclo de Carnot depende únicamente de las
temperaturas del foco frío (Tf) y del caliente (Tc).
Para que tenga validez general, cualquier motor
térmico que tenga un ciclo reversible entre los
mismos focos de calor, tiene el mismo η.
η = 1 – (Qf/Qc) = 1 – (nRTf ln V3/V4)/(nRTc lnV2/V1) = 1 - Tf/Tc
6. Suponiendo entre dos focos (Tc>Tf) un motor de
Carnot (C) y otra máquina reversible (X). La
máquina C intercambia calores Qc y Qf, y la otra X,
qc y qf; hacemos que Qc=qc.
Como el ciclo de Carnot es reversible, ahora
funciona como frigorífico, la máquina C cede calor
Qc al foco caliente y la máquina X absorbe calor qc =
Qc del foco caliente; es como si el foco caliente no
interviene en el proceso y directamente la máquina
X absorbe el calor de la máquina de C.
El W neto no puede ser positivo w-W≤0 →w≤W
Para producir W hacen falta dos focos de calor, Qc y
Qf ,o lo que es lo mismo: el calor va del foco caliente
al foco frío (excepto si es un frigorífico)
5
7. Al ser Qc = qc, resulta:
w ≤ W → w/qc = W/Qc → (qc – qf)/qc = (Qc – Qf)/Qc→
1 – qf /qc ≤ 1 - Qf/Qc
El rendimiento de la otra máquina no puede ser
superior a la de Carnot.
El signo = máquina reversible.
El signo < máquina irreversible.
6
8. Clasificación de los motores térmicos
7
1. En función de donde se produce la combustión:
a) Combustión externa: el calor se transmite a un fluido
intermedio (vapor) y éste produce la energía mecánica
en una máquina alternativa o rotativa. (máquina y
turbina de vapor).
b) Combustión interna: el calor se produce en la cámara
interna del motor y, son los gases, los que producen la
energía mecánica. (motor explosión y diesel, turbina de
gas, turbohélice, etc.)
6.2
Un motor térmico tiene como misión transformar energía
térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable
para producir trabajo.
9. 8
2. En función de cómo se obtiene la energía
mecánica:
a) Motores alternativos: el fluido actúa sobre pistones alternativos.
b) Motores rotativos: el fluido actúa sobre pistones rotantes o
turbinas.
c) Motores de chorro: el fluido produce el empuje por el principio de
acción y reacción.
a) b) c)
10. A – Motor alternativo de combustión externa
Funcionamiento máq. de vapor:
•El cilindro se mueve de forma
alternativa por el vapor de la caldera,
transformando el movimiento lineal
en rotativo por la biela-manivela.
•El distribuidor, unido al volante, y de
sentido opuesto al émbolo, permite
que el vapor entre o salga del cilindro
y produciéndose el movimiento
alternativo continuo.
6.3
9
11. B – Motor rotativo de combustión externa
Funcionamiento turbina:
•Está formada por un rodete
donde se insertan los álabes
(paletas).
•El vapor pasa por unas toberas,
pierde presión y gana velocidad.
•El vapor choca con el álabe y
debido a su forma, se produce el
giro del mismo.
Turbina
10
Perfil de álabe
12. •El líquido sale de la bomba (5), se precalienta a
presión cte en la caldera hasta la saturación (1).
•Se calienta en la caldera hasta vapor saturado
(2).
•Cede el calor al motor (adiabática) (3) a menor
presión (condensador).
•Aquí, el vapor húmedo condensa hasta la
saturación (4).
•Se comprime de pa hasta pb, con un ligero
aumento de Tª (T5-T4). Por eso, el η es:
C – Ciclo del motor de combustión externa
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/rankine.html
11
13. A – Motor rotativo. Turbina de gas
Elementos:
•Compresor, pueden ser axial o
radial, comprimen el aire
convirtiendo la Ec del aire en E de
presión.
•Cámara de combustión, se
inyecta combustible y se lanza el
aire caliente a las toberas donde
obtenemos Ec.
•Turbina, el “gas” con su Ec se
lanza contra los álabes y se
convierte en E mecánica que
mueve el compresor y alternador.
6.4
12
14. B – Ciclo termodinámico Turbina de gas
Se llama ciclo de Brayton o
Joule:
• 1-2: entra aire a p1 y T1
ambiente, se comprime
adiabaticamente a p2 y T2.
• 2-3: p=cte, el aire eleva la T3
al quemar el combustible,
absorbe Q1=mcp(T3-T2).
• 3-4: expansión adiabática
descendiendo a T4 y p1,
cediendo W turbina.
• 4-5: p=cte, los gases ceden
calor atmósfera, T4 desciende
hasta T1, Q2=mcp(T4-T1).
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/brayton.html
2
13
3
1
p
r( 1)/
T T
1
T4 T1
1
