PRESENTACION SOBRE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS. iNTRODUCCION A LA TERMODINAMICA Y EXPLICACION DE LAS DIFERENCIAS ENTRE MOTORES TERMICOS Y MAQUINAS FRIGORIFICAS. INCLUYE LOS CICLOS MAS IMPORTANTES COMO EN DIESEL O EL OTTO

1. TEMA 5
MOTORES TÉRMICOS
CIRCUITOS FRIGORÍFICOS
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II
JORGE TRALLERO ALASTUEY
C
V
C
V
TEMA 5

2. PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS
TERMODINÁMICA: La termodinámica es la parte de la física que se ocupa de las relaciones existentes entre el calor y
el trabajo.
El calor es una forma de energía, y al suministrar calor a ciertos dispositivos, estos lo transforman en trabajo mecánico útil,
y en pérdidas por calor.
Una máquina térmica es un dispositivo capaz de aprovechar el calor que recibe para producir trabajo útil. El calor que recibe
(que se puede obtener de una reacción química, combustión), lo absorbe un sistema, normalmente un fluido, que irá
transformando parte de esa energía térmica en energía mecánica. El fluido realiza una serie de transformaciones
termodinámicas, y en ellas se puede calcular el trabajo y también el rendimiento de la máquina.
La termodinámica estudia los procesos de transformación de trabajo en calor y viceversa.
TRABAJO CALOR
Cuando un cuerpo absorbe energía en forma de calor, se dilata aumentando de volumen (realiza un trabajo) y aumenta su
energía interna que se manifiesta en aumento de temperatura.
Cuando hay aumento de volumen, el trabajo se considera positivo, y cuando disminuye el volumen, el trabajo es negativo.
C
V
C
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CRITERIO DE SIGNOS TRADICIONAL

3. C
V
C
V
En todo proceso, el trabajo realizado por un fluido, no depende sólo
del trabajo inicial y final, sino que también depende del camino
seguido
Para estudiar los ciclos termodinámicos que describen los fluidos en
el interior de una máquina térmica, se parte de las transformaciones
básicas representadas en un diagrama presión – volumen P-V.
Como ejemplo podemos imaginar el gas encerrado en un cilindro
(aire, CO2, mezcla aire-combustible...)
El trabajo es el área encerrada entre nuestra curva termodinámica y
el eje de abcisas
TERMODINÁMICA
TRANSFORMACIÓN DE UN SISTEMA TERMODINÁMICO
ECUACIÓN DE UN GAS IDEAL:
1º PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA:
Una máquina térmica transforma una parte del calor recibido en trabajo y el resto lo destina a modificar
su energía interna.
Q = W + ∆U
donde ∆U es la variación de energía interna, Q es el calor agregado al sistema y W el trabajo realizado
por el sistema.
Conceptos Básicos Térmodinámica

4. C
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C
V
TRANSFORMACIONES

5. C
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C
V
TRANSFORMACIONES
TRANSFORMACIONES CÍCLICAS
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA:.
Es imposible transferir calor desde un foco frio a un foco caliente sin un aporte externo de energía

6. C
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C
V
MÁQUINA TÉRMICA
MÁQUINA TÉRMICA: Es un conjunto de elementos que permite obtener un trabajo mecánico útil a
partir de una diferencia térmica natural o artificial. O bien, a partir de un trabajo externo, obtener una
diferencia de temperatura entre dos focos. En función de esto existen dos tipos de MT:
MÁQUINA TÉRMICA DIRECTA: MOTORES TÉRMICOS ΔT W
Realizan un trabajo al pasar de un foco caliente a otro frío.
MÁQUINA TÉRMICA INVERSA: MÁQS FRIGORÍFICAS Y BOMBAS DE CALOR W ΔT
Reciben un trabajo para pasar de un foco frío a otro caliente.
η
η

7. C
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MÁQUINA TÉRMICA

8. C
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CICLO DE CARNOT

9. C
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V
CICLO DE CARNOT

10. C
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MOTORES TÉRMICOS
Son máquinas cuya misión es transformar la energía térmica en energía mecánica que sea
directamente utilizable para producir trabajo.
Las fuentes de energía térmica pueden ser: nucleares, solares, combustión de combustibles. En éste
último caso se llaman “motores de combustión”.
Según el lugar donde se quema el combustible, estos motores se clasifican en:
•MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA: la combustión se realiza fuera de la máquina,
generalmente para calentar agua que, en forma de vapor, será la que realice el trabajo. Ej: máquina de
vapor. Los motores de combustión externa también pueden utilizar gas como fluido de trabajo (aire, H2
y He) como en el motor Stirling.
•MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA: queman el combustible en una cámara interna al propio
motor. Los gases generados causan por expansión el movimiento de los mecanismos del motor.

11. C
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C
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MOTORES TÉRMICOS

12. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA:
MÁQUINAS DE VAPOR
Estas máquinas, en su versión alternativa, han sido
durante mucho tiempo los únicos motores térmicos
disponibles y desempeñaron un papel clave en el
desarrollo tecnológico que sobrevino con la primera
revolución industrial. En su variante de turbina, siguen
siendo muy empleadas en centrales térmicas y
nucleares.
En esta máquina, el agua que proviene de la bomba
entra en la caldera en su fase líquida, a alta presión y
temperatura cercana a la del ambiente. En la caldera,
el agua líquida absorbe el calor producido en la
combustión, o bien proveniente de un circuito de
refrigeración de un «combustible nuclear», eleva su
temperatura hasta la ebullición y se obtiene así un
vapor saturado. Este vapor sigue aumentando su
temperatura en el supercalentador, con lo que se
consigue un vapor sobrecalentado. Una vez que el
vapor está sobrecalentado, entra en los cilindros o en
la turbina, que son los elementos que transforman la
energía térmica que posee el vapor en energía
mecánica.
Cuando el vapor ha perdido su energía, pasa
al condensador, donde va bajando su
temperatura y vuelve al estado líquido.
Después, el vapor ya licuado va hasta la
bomba, donde se eleva su presión antes de
entrar de nuevo a la caldera. Si el circuito no
es cerrado, el vapor pasa a la atmósfera y se
suprime el condensador, con lo que se precisa
un gran depósito de agua.

13. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
CICLO MCE: MÁQUINAS DE VAPOR (CICLO RANKINE)
1. El líquido que sale de la bomba (estado 5). A presión constante),
pasa al estado 2 (vapor saturado), atravesando dos isotermas: la que
pasa por 5 y la que pasa por 1 (el cambio de estado se realiza a presión
constante). Esta es la tarea del precalentador: calentar el agua a la
presión existente en la caldera hasta alcanzar la saturación (estado 1
sobre la curva de condensación).
2. Se calienta en la caldera hasta el estado 2, donde toda el agua es
vapor saturado, P y T permanecen constantes: se produce una
evaporación isóbara.
3. En la turbina se cede energía mediante una expansión adiabática,
con lo que se alcanza el estado 3 a menor presión (la del condensador)
y el vapor ahora es húmedo: se produce trabajo positivo o útil. (+)
4. En el condensador, el vapor húmedo se condensa adiabáticamente
hasta la saturación en el intercambiador de calor (condensador). T y P
son constantes: se cede calor al foco frío.
5. El líquido saturado se comprime adiabáticamente desde la presión del
condensador hasta la presión de la caldera. Hay así un ligero aumento
de temperatura T5 - T4, pues hemos cambiado de isoterma. Si se
considera que el agua es prácticamente incompresible, esta línea sería
vertical, es decir, una compresión isocora (V constante).

14. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
Según la forma en qué se obtiene la energía mecánica, los
motores de combustión interna se clasifican en:
•Motores alternativos: en estos motores los gases Admisión
resultantes de un proceso de combustión empujan un émbolo o
pistón, desplazándolo en el interior de un cilindro (movimiento
alternativo)y haciendo girar un cigüeñal, obteniendo finalmente
un movimiento de rotación. El árbol de levas al girar y las
diferentes levas permiten la apertura y cierre de las válvulas de
admisión y escape del cilindro.
•Motores rotativos: están formados por un rotor triangular que
gira de forma excéntrica en el interior de una cámara, Al girar
genera tres espacios o cámaras diferentes, donde ocurren las
diferentes etapas
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA:

15. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
MOTORES ROTATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA:
Son motores térmicos donde los gases procedentes de la combustión del combustible actúan sobre una
turbina.
TURBINA DE GAS
El Ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de TG como los utilizados en las aeronaves.
Las etapas del proceso son las siguientes:

16. Admisión
El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina
Compresor
El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión
mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase
es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.
Cámara de combustión
En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno.
Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo
que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C.
Turbina
El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el
aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante
una expansión adiabática C →D.
Escape
Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la
inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que
el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina,
pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se
hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el
aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar
por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un
enfriamiento a presión constante D→A
C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS

17. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA:
Son motores térmicos que se clasifican según el combustible en:
•MOTORES DE EXPLOSIÓN O MOTOR OTTO: GASOLINA.
La ignición de la mezcla gasolina-aire tiene lugar al producirse una chispa (bujía). Se llaman motores de
encendido provocado (MEP).
El carburador es el dispositivo encargado de realizar la mezcla de aire-combustible.
•MOTORES DIESEL
Son motores de encendido por compresión (MEC). La ignición se produce espontáneamente a medida
que el combustible es inyectado en la cámara, cuando en Ésta se ha comprimido el aire a alta presión y
temperatura.
Los motores alternativos están constituidos por 1 ó más
cilindros en cuyo interior se desliza de forma alternativa el
émbolo o pistón. La parte superior se llama culata y contiene
la cámara de compresión (y en los motores de explosión, la
bujia). En la parte inferior se encuentra el carter que contiene
el aceite lubricante.
El movimiento alternativo del pistón se transmite a la biela, y
de ésta al cigüeñal, produciendo así un movimiento rotatorio
que irá a la caja de cambios, diferencial y ruedas. Las formas
comunes de disposición de los cilindros son en V y en línea,
con un número de cilindros variable en función de la potencia
del motor.

18. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA: Funcionamiento del motor
La entrada del fluido de trabajo (gasolina, por ejemplo) y la salida de los gases de combustión se realizan
a través de las válvulas de admisión y escape respectivamente. Estas válvulas están situadas en la
culata, directamente sobre el cilindro, y su movimiento de apertura y cierre está controlado por unos
dispositivos mecánicos sincronizados.
La entrada del fluido de trabajo (gasolina, por ejemplo)
y la salida de los gases de combustión se realizan a
través de las válvulas de admisión y escape
respectivamente. Estas válvulas están situadas en la
culata, directamente sobre el cilindro, y su movimiento
de apertura y cierre está controlado por unos
dispositivos mecánicos sincronizados.

19. C
V
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V
MOTORES TÉRMICOS
CICLO TD

20. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS - CICLOS
MEP – CICLO OTTO (4 TIEMPOS)

21. C
V
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MOTORES TÉRMICOS
MEP – CICLO OTTO (4 TIEMPOS)
r = Relación
Compresión
La diferencia entre la energía aportada Q1 y la cedida Q2, se transforma en energía mecánica. Esta se
manifiesta durante la carrera de expansión, que es la única en la que se produce trabajo útil y donde el
pistón arrastra al cigüeñal. En el resto de las carreras es el cigüeñal el que arrastra al pistón gracias a la
acción del volante de inercia, o bien, como se hace por norma, disponer, como mínimo, cuatro cilindros en
un motor, combinando su funcionamiento de tal modo que en todo momento por lo menos uno de ellos
trabaje.

22. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
MEC – CICLO DIESEL (4 TIEMPOS)

23. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
MEC – CICLO DIESEL (4 TIEMPOS)
Con rC = Relación de Combustión
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS MOTORES DIESEL:
• Mayor rendimiento térmico. En el motor de gasolina el rendimiento está aproximadamente en un 24% y
en el motor diesel en el 34%. Hay menos pérdidas en los gases de escape y por tanto menor
contaminación.
• Menor consumo (por el mejor aprovechamiento del combustible) y menor coste del combustible.
• Mayor duración de la vida del motor, ya que tienen una mecánica más resistente al desgaste.
• Precio más elevado, por tener mayor coste de construcción.
• Más ruidosos por las fuertes explosiones de la combustión.
• Mayor contaminación por emisión de micro-partículas PM2,5,que al ser tan finas entran fácilmente en
los pulmones.

24. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
POTENCIA Y RENDIMIENTO:

25. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
POTENCIA Y RENDIMIENTO:
La potencia de un motor se obtiene multiplicando su par motor por las revoluciones a las que se
desarrolla.
P = M·n
Un motor, al estar acoplado a un cambio de marchas, varía su par, pero la potencia se mantiene
constante desde la entrada a la salida. Dicho de otra forma, los engranajes transmiten la potencia, pero
varían el par y la velocidad de giro, manteniendo su potencia constante

26. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
SOBREALIMENTACIÓN – MOTOR TURBO:

27. C
V
C
V
MOTORES TÉRMICOS
COCHES HÍBRIDOS:

28. C
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C
V
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
MÁQUINA FRIGORÍFICA:

29. C
V
C
V
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
MÁQUINA FRIGORÍFICA:
La refrigeración consiste en extraer la energía térmica de un cuerpo para reducir su temperatura. Por
las propiedades termodinámicas, dicha energía es transferida hacia otro cuerpo. Cabe destacar que el frío
propiamente dicho no existe, sino que la temperatura es el reflejo de la cantidad de energía que posee un
cuerpo. Como hemos visto en las leyes de la termodinámica, el calor no se transfiere de forma
espontánea de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura. Por ello, el funcionamiento
de las máquinas frigoríficas es bastante complejo y hasta el siglo xx no se lograron sistemas efectivos de
refrigeración.
La eficiencia de una máquina frigorífica también
se llama COP (coeficiente de operación) y su
valor puede ser mayor que 1

30. C
V
C
V
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
MÁQUINA FRIGORÍFICA:
1
2
3
4

31. C
V
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V
BOMBA DE CALOR
BOMBA DE CALOR:
Una bomba de calor es exactamente igual a una máquina frigorífica. La diferencia, en lo referente a la
aplicación, consiste en la intercambiabilidad de los focos frío y caliente. Así, en invierno, el foco frío es el
exterior de una vivienda y el caliente, el interior. Debemos consumir trabajo para pasar calor del exterior
(foco frío) al interior. En verano, el foco frío es el interior de la vivienda y el caliente, el exterior. Debemos
consumir trabajo para pasar el calor del interior (foco frío) al exterior.
Para conseguirlo, se deben intercambiar los papeles del condensador y del evaporador, para lo que se
emplea la válvula de cuatro vías.
Debido a la posibilidad de invertir su funcionamiento,
las bombas de calor se utilizan en la actualidad como
calefacción en invierno y como sistema de refrigeración
en verano (aire acondicionado reversible

32. C
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BOMBA DE CALOR
BOMBA DE CALOR:
La eficiencia de la bomba de calor utilizada como sistema de refrigeración, es:
La eficiencia de la bomba de calor utilizada como calefacción, es: