TERMO

1. CICLOS
TERMODINAMICOS
TEORICOS DE LOS
MCI
JUAN GUILLERMO LIRA CACHO
2022
𝑸𝒂
𝑸𝒃

2. 𝑄𝑏
ESQUEMA DE UNA MAQUINA TERMICA
W<𝑄𝑎; 𝑄𝑏 >0;
𝑄𝑏
𝑄𝑎
≥
𝑇𝑏
𝑇𝑎
(1ra. Ley de la
Termodinámica)
(2da. Ley de la
Termodinámica)
1 2
𝑇𝑎
𝑇𝑏
W
S
T
𝑄𝑎

3. 1) En los ciclos teóricos, la masa de la sustancia de trabajo es constante en cantidad e
invariable en su composición. En las máquinas reales hay que renovarla en cada ciclo.
Además, su composición química cambia durante la combustión.
DIFERENCIAS ENTRE LOS CICLOS TEÓRICOS Y REALES
𝑃 < 𝑃0
𝑃 ≈ 𝑃0
𝑃 > 𝑃0
𝑃 ≈ 𝑃0
EXPANSION
ADMISION COMPRESION
ESCAPE

4. 2) En los ciclos teóricos, el calor suministrado al ciclo proviene del exterior, sin
pérdidas de calor, mientras que en las máquinas reales, el calor proviene de la
combustión del combustible, la cual se produce con pérdidas por combustión
incompleta, disociación y pérdidas de calor al exterior.
C+½O2→ CO +calor
N2 + O2 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → 2NO
DIFERENCIAS ENTRE LOS CICLOS TEÓRICOS Y REALES
CO2 +calor →CO+½O2
CO+½O2 → CO2 + calor′
Disociación:
Combustión incompleta:

5. 3) En los ciclos teóricos, los calores específicos de la sustancia de trabajo son constantes. En las
máquinas reales, los calores específicos cambian en función de la temperatura y de la composición.
DIFERENCIAS ENTRE LOS CICLOS TEÓRICOS Y REALES
𝒌 =
𝒄𝒑
𝒄𝒗
𝐜𝐩 − 𝐜𝐯 = 𝐑
=variable
𝒒𝒂 = 𝒄𝒗∆𝑻
Ne
Ar
CO
CO2
H2
O2
Aire

6. 4) En los ciclos teóricos, los procesos de compresión y expansión
son adiabáticos e isoentrópicos. En las máquinas térmicas reales
se pierde calor a través de las paredes al refrigerante y lubricante,
principalmente, en los procesos de combustión y expansión.
5) En los ciclos teóricos no hay pérdidas “mecánicas” por fricción
ni por el accionamiento de los mecanismos y sistemas auxiliares
del motor (ventilador, bombas de agua y aceite, bomba de
inyección, bomba de combustible, distribuidor eléctrico, etc.)
DIFERENCIAS ENTRE LOS CICLOS TEÓRICOS Y REALES

7. 𝑄𝑎
𝑄𝑏
𝑄𝑎
𝑄𝑏
Ciclo Otto (Qa suministrado a volumen constante)
𝑞𝑏 =
𝑄𝑏
𝑚
𝑤 =
𝑊
𝑚
𝑞𝑎 =
𝑄𝑎
𝑚

8. Ciclo Diesel (qa suministrado a presión constante)

9. Ciclo dual o Sabathé (𝑞𝑎
′
: calor suministrado a volumen
constante; 𝑞𝑎
′′
: calor suministrado a presión constante)

10. DEFINICIONES
a) Calores y trabajo específicos:
𝑞𝑎=
𝑄𝑎
𝑚
; 𝑞𝑏=
𝑄𝑏
𝑚
; 𝑤 =
𝑊
𝑚
b) Eficiencia termodinámica:
𝜂𝑡 =
𝑤
𝑞𝑎
=
𝑞𝑎 − 𝑞𝑏
𝑞𝑎
= 1 −
𝑞𝑏
𝑞𝑎
c) Presión media del ciclo:
𝑝𝑚𝑐 =
𝑊
𝑉ℎ
=
𝑚𝑞𝑎𝜂𝑡
𝑉ℎ

11. d) Relación de compresión (ε)
𝜀 =
𝑉
𝑎
𝑉
𝑐
= 1 +
𝑉ℎ
𝑉
𝑐
e) Coeficiente de elevación de la presión (𝜆)
𝜆 =
𝑝𝑧
′
𝑝𝑐
=
𝑝𝑧
𝑝𝑐
=
𝑇𝑧
′
𝑇𝑐
f) Coeficiente o relación de expansión
preliminar (𝜌)
𝜌 =
𝑉
𝑧
𝑉
𝑐
=
𝑉
𝑧
𝑉
𝑧
′
=
𝑇𝑧
𝑇𝑧
′

12. Ciclo 𝜺 𝝀 𝝆
Otto 8-12 3,8-4,2 1
Diesel 12-17 1 2,2-2,6
Dual 16-24 1,4-2,0 1,4-2,2
g) Coeficiente o relación de expansión posterior (δ)
𝛿 =
𝑉𝑏
𝑉
𝑧

13. RELACIONES Y FÓRMULAS
a) 𝜀 = 𝜌 ∙ 𝛿
b)
𝑝𝑐
𝑝𝑎
=
𝑉𝑎
𝑉𝑐
𝑘
= 𝜀𝑘
c)
𝑝𝑧
𝑝𝑏
=
𝑉𝑏
𝑉𝑧
𝑘
= 𝛿𝑘
d)
𝑇𝑐
𝑇𝑎
=
𝑝𝑐
𝑝𝑎
𝑘−1
𝑘
= 𝜀𝑘−1

14. e)
𝑇𝑧
𝑇𝑏
=
𝑝𝑧
𝑝𝑏
𝑘−1
𝑘
= 𝛿𝑘−1
f)
𝑇𝑏
𝑇𝑎
= 𝜆𝜌𝑘
g)
𝑉ℎ
𝑉𝑎
=
𝜀−1
𝜀
h)
𝑉𝑐
𝑉ℎ
=
1
𝜀−1

15. 𝑖) 𝑆𝑥 = R ∙ 1 +
𝐿
𝑅
− 𝑐𝑜𝑠𝜑 −
𝐿
𝑅
2
− 𝑠𝑒𝑛2𝜑
λ=0,25-0,33
(motores pequeños)
λ=R/L; R=S/2
λ=0,11-0,20
(motores grandes)
S

16. EFICIENCIA TERMODINÁMICA
a)Ciclo dual (𝜆 > 1 y 𝜌 > 1)
𝜂𝑡 = 1 −
1
𝜀𝑘−1
∙
𝜆𝜌𝑘
− 1
𝜆 − 1 + 𝑘𝜆(𝜌 − 1)
b) Ciclo Otto (𝜌 = 1)
𝜂𝑡 = 1 −
1
𝜀𝑘−1
c) Ciclo Diesel (𝜆 = 1)
𝜂𝑡 = 1 −
1
𝜀𝑘−1
∙
𝜌𝑘
− 1
𝑘(𝜌 − 1)
𝑞𝑎 = 𝑐𝑣𝑇𝑎𝜀𝑘−1
[𝜆 − 1 + 𝑘𝜆 𝜌 − 1 ]
𝑞𝑏 = 𝑐𝑣𝑇𝑎 [𝜆𝜌𝑘
− 1]

17. 𝑝𝑚𝑐 =
𝜀
𝜀−1
𝑝𝑎
𝑅𝑇𝑎
𝜂𝑡𝑞𝑎
PRESIÓN MEDIA INDICADA DEL CICLO
a) Ciclo Dual
𝑝𝑚𝑐 = 𝑝𝑎 ∙
𝜀𝑘
(𝜀 − 1)(𝑘 − 1)
∙ [𝜆 − 1 + 𝑘𝜆 𝜌 − 1 ] ∙ 𝜂𝑡
b) Ciclo Otto
𝑝𝑚𝑐 = 𝑝𝑎 ∙
𝜀𝑘
(𝜀 − 1)(𝑘 − 1)
∙ [𝜆 − 1] ∙ 𝜂𝑡
c)Ciclo Diesel
𝑝𝑚𝑐 = 𝑝𝑎 ∙
𝜀𝑘
(𝜀 − 1)(𝑘 − 1)
∙ [𝑘 𝜌 − 1 ] ∙ 𝜂𝑡
𝑝𝑚𝑐 =
𝑊
𝑉ℎ
=
𝑚𝑞𝑎𝜂𝑡
𝑉ℎ

18. CICLO OTTO 𝑞𝑎 = 𝑐𝑣𝑇𝑐 𝜆 − 1 𝑞𝑏 = 𝑐𝑣𝑇𝑎 (𝜆 − 1)
1.28
1.3
1.32
1.34
1.36
1.38
1.4
1.42
0 400 800 1200 1600 2000
Exponente
adiabático,
k
Temperatura, °C
Aire
𝑘 = 𝑓(𝑇)

19. CICLO DIESEL 𝑞𝑎 = 𝑐𝑝𝑇𝑐 𝜌 − 1
𝜌 = 1,5
𝜌 = 2,0
𝜌 = 2,5
𝜀
𝜂𝑡
𝑘 = 1,37
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
10 12 14 16 18
𝑞𝑏 = 𝑐𝑣𝑇𝑎 (𝜌𝑘 − 1)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0 1.5 2.0 2.5
P
mc
,
MPa
Rho
𝜌

20. 𝑞𝑎, 𝜀, 𝑘, 𝑝𝑎, 𝑇𝑎 = 𝑐𝑡𝑒𝑠.
ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS CICLOS TEÓRICOS OTTO Y DIESEL

21. ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS CICLOS TEÓRICOS OTTO Y DIESEL
𝑞𝑎 , 𝑝𝑚𝑎𝑥, 𝑘, 𝑝𝑎, 𝑇𝑎 = 𝑐𝑡𝑒𝑠.

22. Entonces:
𝑆𝑖: 𝜆 ↑⇒ 𝜌 ↓⇒ 𝜆𝜌𝑘
↓ ⇒ 𝑞𝑏 ↓ ⇒ 𝜂𝑡 ↑
𝑞𝑎 = 𝑞𝑎
,
+𝑞𝑎
,,
= 𝑐𝑣𝑇𝑐 [𝜆 − 1 + 𝑘𝜆 𝜌 − 1 ]
𝑞𝑏 = 𝑐𝑣𝑇𝑎 [𝜆𝜌𝑘
− 1]
𝑞𝑎, 𝜀, 𝑘, 𝑝𝑎, 𝑇𝑎 = 𝑐𝑡𝑒𝑠.
CICLO DUAL (CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR)

23. CICLO DUAL ( 𝑐𝑜𝑛 𝑞𝑎= 𝑐𝑡𝑒)
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Eficiencia
Rho
Lambda
Rho Eta
𝜌 𝜂𝑡
𝜌
𝜆
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Temperaturas,
K
Lambda
Tz' Tz
𝜆
1.00
1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30
1.35
1.40
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
p
mc
,
MPa
lambda
𝜆
𝜌 =
1
𝑘𝜆
𝑞𝑎
𝑐𝑣𝑇𝑎𝜀𝑘−1 − (𝜆 − 1) +1
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Pz,
MPa
λ
𝜆

24. 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
8 10 12 14 16 18 20 22 24
Otto
Diesel
Dual
𝜺
𝜼𝒕
EFICIENCIA TERMICA DE LOS CICLOS TEORICOS EN FUNCION DE
LA RELACION DE COMPRESION

25. 𝜌𝑘
− 1
𝑘(𝜌 − 1)
=
1 + (𝜌 − 1) 𝑘
− 1
𝑘(𝜌 − 1)
=
1
𝑘(𝜌−1)
1 + 𝑘(𝜌 − 1) +
𝑘(𝜌−1)
2!
(𝜌 − 1)2
+ ⋯ − 1 >1
DEMOSTRACION DE PORQUE DISMINUYE LA EFICIENCIA DEL
CICLO DIESEL CON EL AUMENTO DEL SUMINISTRO DE CALOR

26. Comúnmente se cree que la máxima
temperatura de combustión se alcanza
cuando la mezcla A/C que arde es
estequiométrica; sin embargo, debido a
la disociación de las especies mayores
producidas en la combustión (CO2, H2O,
N2) y la formación de especies menores
(CO, OH, NO, etc.), la máxima
temperatura de combustión ocurre
cuando la mezcla es ligeramente rica
debido al menor calor específico molar
de estos productos, lo que provoca el
incremento de la temperatura.
1.24
1.245
1.25
1.255
1.26
1.265
1.27
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
Exponente
adiabático
k
2500°C 2100°C 1800°C
𝑘 = 𝑓(𝛼, 𝑇𝑧)
𝛼 = 𝑟𝐴/𝐶 𝑟𝐴/𝐶,𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞.