Máquinas térmicas

PRINCIPIOS DE
MÁQUINAS
- MÁQUINAS TÉRMICAS -
Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN
Dpto. de Tecnología
IES CAP DE LLEVANT - MAÓ
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II – 2º BACHILLERATO
Maó - 2009

2
Contenido
 Principios de termodinámica. Representación gráfica e interpretación del Ciclo de Carnot.
 Motores térmicos alternativos. Descripción de las partes y del funcionamiento.
 Motores de ciclo de Otto y de ciclo diesel. Motores de 2 i 4 tiempos.
 Identificación de las diferencias fundamentales entre los tipos de motores estudiados.
 Análisis de los ciclos teóricos y reales de los motores.
 Cálculos y datos en los motores: presión media efectiva, rpm, par motor, trabajo de un ciclo,
cilindrada, potencia indicada, potencia de eje.
 El consumo de combustible y el rendimiento del motor (térmico y mecánico). Curvas de par,
potencia y consumo de combustible. Gráficos y su análisis.
 Balance energético de un motor. Interpretación gráfica del balance de energía de un motor.
 Resolución de problemas de cálculo de potencia, trabajo de un ciclo, par motor, consumo de
combustible, rendimiento térmico, etc., en los motores.
 Máquinas térmicas rotativas. Descripción de diferentes tipos de turbinas. El ciclo de Rankine.
 Representación gráfica de las piezas más características de un motor.
 Circuitos frigorífico: Principio de funcionamiento y elementos. Bomba de calor.
 Identificación de los elementos fundamentales de un equipo frigorífico.
 Descripción termodinámica del ciclo frigorífico. Representación del ciclo frigorífico en
diagrama T-S.
 Descripción de la bomba de calor. Uso y aplicación práctica.
 Disposición a dar importancia a los temas ambientales dentro del marco de un desarrollo
sostenible.
CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO

3
Primer principio de la
TERMODINÁMICA (I)
 Es la ley de conservación de la energía aplicada al estudio de las
máquinas térmicas. Si se realiza trabajo sobre un sistema o éste
intercambia calor con otro la energía interna del sistema cambiará. Por
tanto, el calor es la energía necesaria que debe intercambiar el sistema
para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna.
∑ Eentra – ∑ Esale = ∆E
MOTOR TÉRMICO
MÁQUINA FRIGORÍFICA
Q = ∆U + W
W = ∆U + Q
(aumenta Tª motor y genera trabajo mecánico)
(aumenta Tª compresor y se extrae calor)

4
Primer principio de la
TERMODINÁMICA (II)
 Sea cual sea el procedimiento usado para convertir el calor en trabajo
o viceversa, hay una relación constante entre el trabajo desarrollado y
el calor consumido, siempre que el estado final del sistema sea igual
al inicial. Esta relación se denomina equivalente mecánico del
calor y es igual a 427 Kgm/Kcal.

5
Segundo principio de la
TERMODINÁMICA
 El flujo espontáneo de calor
siempre es unidireccional,
desde los cuerpos de mayor
temperatura hacia los de menor
temperatura, hasta lograr un
equilibrio térmico.
 NO puede transformar calor en
trabajo sin aumentar la energía
termodinámica del ambiente.
 No existe ningún dispositivo
que, operando por ciclos,
absorba calor de una única
fuente (E.absorbida) y lo
convierta íntegramente en
trabajo (E.útil).(Enunciado de
Kelvin-Planck).
 NO podrá efectuar trabajo sin
absorber calor de una fuente
externa con mayor Tª.
 Tendrá un rendimiento
energético menor a la unidad.
 NO podrá efectuar trabajo sin
ceder calor al exterior que
estará a menor Tª.
 El calor no se puede transferir
espontáneamente de un
cuerpo frío a otro más caliente.
MÁQUINA TÉRMICA CÍCLICA

6
Ciclos termodinámicos (I)
 PROCESO TERMODINÁMICO REVERSIBLE En cada
momento de la transformación termodinámica las temperaturas y
presiones están en equilibrio. Una variación muy pequeña de estas
determina el sentido de la transformación.
A
PA , TA
∆T , ∆P B
PB , TB
Ambas transformaciones
A→B y B→A son reversibles
y pasan por los mismos
estados
PROCESO ABIERTO
PROCESO CERRADO
Ó
CICLO
A
PA , TA
∆T , ∆P

7
Ciclos termodinámicos (II)
FOCO
(TC)
FOCO
(TF)
El calor pasa del foco
caliente al frío. La diferencia
de calor se emplea en
producir trabajo
MOTOR TÉRMICO
MÁQUINA
FRIGORÍFICA
QC QF
W = Qc - QF
TC > TF
FOCO
(TC)
FOCO
(TF)
QC
QF
W = Qc - QF
TC > TF
El calor se extrae del foco
frío y se manda al caliente.
La diferencia de calor es el
trabajo consumido
Para que se produzca trabajo neto la máquina térmica debe funcionar entre 2 focos a
temperaturas diferentes, de lo contrario no hay tránsito de calor

8
Eficiencia térmica
 De acuerdo con el segundo principio de la termodinámica, el
calor no se podrá transformar íntegramente en trabajo. Por
tanto, definiremos el RENDIMIENTO o EFICIENCIA TÉRMICA
(ƞt) como la relación entre el trabajo realizado y la energía en
forma de calor aportado por el cuerpo caliente
APORTADA
UTIL
E
E
η 
C
F
C
F
C
C
t
Q
Q
1
Q
Q
Q
Q
W
η 





9
Ciclo de Carnot (I)
FOCO
(TC)
FOCO
(TF)
producir trabajo
MOTOR TÉRMICO
QC QF
W = Qc - QF
TC > TF
Lógicamente, interesa que el intercambio de calor sea el menor posible (ceder el mínimo calor QF
posible) para transformar en trabajo la mayor cantidad de calor posible.
Carnot (1824) partió de tres hechos incuestionables para definir el rendimiento máximo de un
motor térmico (o máquina frigorífica):
 Al motor se le suministra energía en forma de calor a Tª elevada. (calor proporcionado por el
combustible)
 El calor realiza trabajo mecánico. (trabajo obtenido)
 El motor cede calor a Tª inferior. (pérdidas en calor en los gases de escape)
C
F
C
F
C
t
Q
Q
1
Q
Q
Q
η 




10
Ciclo de Carnot (II)
Suponemos un gas ideal que realiza un ciclo reversible en el interior de un
cilindro de un motor térmico que funciona entre dos focos de calor, el
caliente a temperatura T1 y el frío a temperatura T2.
 Tiempo 1 .-
 Culata del cilindro: foco caliente
T1.
 Expansión isotérmica del gas del
punto a al punto b a la
temperatura T1=Ta=Tb
 Se realiza trabajo exterior a costa
del calor absorbido del foco
caliente.










a
b
1
1
1
V
V
ln
T
R
Q
W

11
Ciclo de Carnot (III)
 Tiempo 2 .-
 Culata del cilindro: material
aislante.
 Expansión adiabática del gas del
punto b al punto c hasta alcanzar
la temperatura T2=Tc=Td
 No se produce intercambio de
calor con el exterior
 La ecuación de estado para el
gas es:
2
1
1
γ
b
c
c
b
T
T
V
V
T
T












12
Ciclo de Carnot (IV)
 Tiempo 3 .-
 Culata del cilindro: foco frío T2.
 Compresión isotérmica del gas
del punto c al punto d a la
temperatura T2=Tc=Td
 Se consume trabajo exterior al
ceder calor al foco frío.










d
c
2
2
2
V
V
ln
T
R
Q
W

13
Ciclo de Carnot (V)
 Tiempo 4 .-
 Culata del cilindro: material
aislante.
 Compresión adiabática del gas
del punto d al punto a hasta
alcanzar la temperatura T1=Ta=Tb
 No se produce intercambio de
calor con el exterior
 La ecuación de estado para el
gas es:
2
1
1
γ
a
d
d
a
T
T
V
V
T
T












14
Ciclo de Carnot (VI)
1
γ
a
d
1
γ
b
c
2
1
V
V
V
V
T
T




















1
2
a
b
1
d
c
2
1
1
2
c
T
T
1
V
V
ln
T
R
V
V
ln
T
R
1
Q
Q
1
η 





















a
b
d
c
a
d
b
c
V
V
V
V
V
V
V
V



Al haberse completado un ciclo
podemos comparar los tiempos 2 y 4
y deducir la relación de volúmenes:
El rendimiento del ciclo de Carnot (ƞc) depende únicamente de las
temperaturas de los focos frío y caliente (en grados Kelvin) y cuanto
mayor sea la diferencia entre éstas, mayor será la eficiencia

15
Ciclo de Carnot (VII)
Simulación del ciclo de Carnot

16
Ciclo de Carnot (VIII)
Se puede demostrar que cualquier motor térmico que funcione
según un ciclo reversible entre los mismos focos de calor tiene
el mismo rendimiento.

17
Ciclo de Carnot (IX)
K
293
273
20
T
K
1173
273
900
T
F
c






 Halla el rendimiento de un ciclo de Carnot que trabaja entre 20ºC y
900ºC
___EJERCICIO___
75%
0.75
1173
293
1
T
T
1
η
c
F
c 






18
Eficiencia térmica según el segundo
principio de la termodinámica (I)
 Definiremos el RENDIMIENTO o EFICIENCIA TÉRMICA SEGÚN
EL SEGUNDO PRINCIPIO (ƞs) como la relación entre las
eficiencias térmica real (ƞt) y de Carnot (ƞc) . Da idea de la
eficiencia de la máquina respecto de la máxima teórica, la de
Carnot.
c
t
s
η
η
η 
 En consecuencia, como el rendimiento no puede ser mayor
que la unidad (una máquina no puede tener una eficiencia
mayor a la teórica de Carnot):
• Si ƞt < ƞc , la máquina es irreversible pero real
• Si ƞt = ƞc , la máquina es reversible y por ello imposible
• Si ƞt > ƞc , la máquina es totalmente imposible

19
principio de la termodinámica (II)
K
303
273
30
T
K
473
273
200
T
F
c






 Una máquina térmica trabaja entre dos fuentes térmicas a 200ºC y
30ºC respectivamente. Si extrae una energía en forma de calor
QC=300MJ de la fuente caliente y cede QF=200MJ a la fuente fría,
calcula su eficiencia según el segundo principio y el trabajo o energía
perdidos en las irreversibilidades
___EJERCICIO___
36%
0.36
473
303
1
T
T
1
η
c
F
c 




100MJ
200MJ
300MJ
Q
Q
W F
C 



 Trabajo realizado
33%
0.33
300MJ
100MJ
Q
W
η
C
t 

 Eficiencia térmica
Eficiencia Carnot

20
principio de la termodinámica (III)
 Una máquina térmica trabaja entre dos fuentes térmicas a 200ºC y
30ºC respectivamente. Si extrae una energía en forma de calor
QC=300MJ de la fuente caliente y cede QF=200MJ a la fuente fría,
calcula su eficiencia según el segundo principio y el trabajo o energía
perdidos en las irreversibilidades
___EJERCICIO___
108MJ
300MJ·0.36
Wc 

92%
0.92
0.36
0.33
η
η
η
c
t
s 

 Eficiencia según el
segundo principio
Aunque la eficiencia térmica parezca baja, es una buena máquina ya que
tiene una eficiencia respecto de la máxima del 92% y , por tanto, sólo
pierde el 8%. Esto quiere decir que si la máquina fuera reversible haría
un trabajo de
El trabajo de pérdidas será
8MJ
100MJ
-
108MJ
W
-
W
W c
p 



21
Entropía (I)
...
S
Δ
T
S
Δ
T
Q 2
2
1
1 


 En los sistemas adiabáticos la variación de la entropía es nula ya que
no hay intercambio de energía en forma de calor con el exterior.
 En los procesos reversibles la entropía no varía y en los irreversibles
aumenta ya que se pierde calor
 Cuando el calor pasa de un sistema a otro de menor Tª, algo tiene que
aumentar para contrarrestar el descenso de Tª; ya que la energía tiene
que conservarse. Eso es la VARIACIÓN o FLUJO DE ENTROPÍA (ΔS)
¿A dónde va la
energía en forma
de calor que se
desprende en el
rozamiento, o al
frotarnos las
manos?
Al ambiente
que envuelve
al sistema
Al Universo
[J/K]
T
Q
S
Δ
i
i


22
Entropía (II)
f
c
4
-
3
f
2
-
1
c Q
-
Q
S
Δ
T
S
Δ
T
W 


 Para representar los ciclos en las máquinas
térmicas se utilizan también diagramas TS
 El área encerrada por la curva representa el trabajo realizado o
el calor intercambiado entre los focos caliente y frío
 En la máquina de Carnot, las expansiones o
compresiones isotérmicas son horizontales
y las adiabáticas verticales.
1 2
3 4
W

23
Entropía (III)
 En una máquina de Carnot, máquina reversible, la variación de
entropía es nula; no se varía la entropía del Universo. Toda la
entropía que pierde la fuente caliente al ceder calor, la gana el
Universo
c
c
2
-
1
T
Q
S
Δ 

f
f
4
-
3
T
Q
S
Δ 

)
4
-
3
S
Δ
2
-
1
S
Δ
(
4
-
3
2
-
1
t 0
S
Δ
S
Δ
S
Δ





 Si el sistema es irreversible, la variación total de entropía el
trabajo perdido en las irreversibilidades será:
t
f S
Δ
T
W 
f
c
t S
Δ
S
Δ
S
Δ 



24
Entropía (IV)
 Una máquina térmica real trabaja entre dos fuentes térmicas de 30ºC y
500ºC. En cada ciclo la máquina extrae 350MJ y cede 200MJ a la
fuente fría. Determina la variación total de entropía del Universo en
cada ciclo y el trabajo perdido en las irreversibilidades
___EJERCICIO___
MJ/K
0.45
500
273
350MJ
T
Q
S
Δ
h
h
c 






MJ/K
0.21
0.66MJ/K
0.45MJ/K
S
Δ
S
Δ
S
Δ f
c
t 






MJ/K
0.66
0
3
273
200MJ
T
Q
S
Δ
f
f
f 






25
Entropía (V)
 Una máquina térmica real trabaja entre dos fuentes térmicas de 30ºC y
500ºC. En cada ciclo la máquina extrae 350MJ y cede 200MJ a la
fuente fría. Determina la variación total de entropía del Universo en
cada ciclo y el trabajo perdido en las irreversibilidades
___EJERCICIO___
62.81MJ
MJ/K
30)K·0.21
(273
S
Δ
T
W t
f 



El resultado anterior indica que el Universo aumenta su entropía
en 0.21MJ/K mientras que la máquina pierde la misma cantidad de
entropía. Esto SIEMPRE PASA en los sistemas irreversibles

26
Motor térmico
 MOTOR TÉRMICO es una máquina
que tiene como misión transformar
energía térmica en energía mecánica
que sea directamente utilizable para
producir trabajo
MOTOR DE COMBUSTIÓN
ENERGÍA CALORÍFICA
Combustión de
sustancias
COMBUSTIBLES
ENERGÍA MECÁNICA

27
MOTOR
TÉRMICO DE
COMBUSTIÓN
Motor térmico: clasificación (I)
EXTERNA
INTERNA
El calor desprendido al quemarse el
combustible es transmitido a un fluido
intermedio, el cual produce energía mecánica
a través de una máquina alternativa o rotativa
MÁQUINAS DE VAPOR
TURBINAS DE VAPOR
La combustión se produce en una cámara
interna del propio motor y son los gases
generados los que causan directamente, por
expansión, el movimiento de los mecanismos
del motor
MOTORES DE EXPLOSIÓN
MOTORES DIESEL
TURBINAS DE GAS DE CICLO ABIERTO
TURBOHÉLICES
…
El problema que presentan es que se pierde
más calor del que se genera en las paredes
de la caldera y conductos

28
MOTOR
TÉRMICO DE
COMBUSTIÓN
Motor térmico: clasificación (II)
MOTOR ALTERNATIVO MOTOR DE CHORRO
El fluido de trabajo actúa sobre
pistones dotados de movimiento
alternativo de subida y bajada
El fluido es el encargado de
producir el empuje por el
principio de acción y reacción
MOTOR ROTATIVO
El fluido actúa sobre pistones
rotantes o sobre turbinas

29
Motor alternativo de combustión externa:
MÁQUINA A VAPOR (I)
Máquina de Watt
Máquina de Newcomen

30
MÁQUINA A VAPOR (II)
Partes de una máquina a vapor simple

31
MÁQUINA A VAPOR (III)
Detalle de la caja de distribución FUNCIONAMIENTO

32
Motor alternativo de combustión interna:
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (I)
DIFERENTES PARTES

33
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (II)

34
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (III)
CICLO DE 4 TIEMPOS
Primer tiempo o admisión: El descenso del pistón
aspira la mezcla aire combustible en los motores de
encendido provocado (MEP) o el aire en motores de
encendido por compresión (MEC). La válvula de
escape permanece cerrada, mientras que la de
admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal
da 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de
admisión se encuentra abierta y su carrera es
descendente.
Segundo tiempo o compresión: Al llegar al final de
carrera inferior, la válvula de admisión se cierra,
comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el
ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 180º
y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas
se encuentran cerradas y su carrera es ascendente.

35
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (IV)
CICLO DE 4 TIEMPOS
Tercer tiempo o explosión: Al llegar al final de carrera superior
el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de
encendido provocado (MEP), salta la chispa en la bujía,
provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los
motores diésel, se inyecta con jeringa el combustible que se
autoinflama por la presión y temperatura existentes en el
interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la
combustión, esta progresa rápidamente incrementando la
temperatura en el interior del cilindro y expandiendo los gases
que empujan el pistón. En este tiempo el cigüeñal da 180º
mientras que el árbol de levas da 90º, ambas válvulas se
encuentran cerradas y su carrera es descendente.
Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo, que se
almacena en forma de energía mecánica mediante un volante
de inercia, del cual se toma la necesaria para realizar los otros
tres tiempos.

36
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (V)
CICLO DE 4 TIEMPOS
Cuarto tiempo o escape: En esta fase el pistón empuja
cuidadosamente, en su movimiento ascendente, los
gases de la combustión que salen a través de la
válvula de escape que permanece abierta. Al llegar al
punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula
de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el
ciclo. En este tiempo el cigüeñal da 180º y el árbol de
levas da 180º y su carrera es ascendente.
Al completar el ciclo se habrán producido 4 carreras
de pistón y 2 vueltas completas del cigüeñal.
FUNCIONAMIENTO

37
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (VI)
FUNCIONAMIENTO
PARTES Y FUNCIONAMIENTO

38
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 2 TIEMPOS (I)
DIFERENTES PARTES

39
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 2 TIEMPOS (II)
CICLO DE 2 TIEMPOS
Fase de admisión-compresión: El pistón se desplaza
hacia arriba (la culata) desde su punto muerto inferior,
en su recorrido deja abierta la lumbrera de admisión.
Mientras la cara superior del pistón realiza la
compresión en el cilindro, la cara inferior succiona la
mezcla de aire y combustible a través de la lumbrera.
Para que esta operación sea posible el cárter tiene que
estar sellado.
Fase de potencia-escape: Al llegar el pistón a su punto
muerto superior se finaliza la compresión y se provoca
la combustión de la mezcla gracias a una chispa
eléctrica producida por la bujía. La expansión de los
gases de combustión impulsan con fuerza el pistón
que transmite su movimiento al cigüeñal a través de la
biela.

40
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 2 TIEMPOS (III)
FUNCIONAMIENTO
FUNCIONAMIENTO

41
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 2 TIEMPOS (IV)
DIFERENCIAS CON EL MOTOR DE 4 TIEMPOS
 Realiza 2 carreras de pistón (1 vuelta de cigüeñal), en lugar de 4.
 Ambas caras del pistón realizan una función simultáneamente, en el
motor de cuatro tiempos únicamente está activa la cara superior.
 La entrada y salida de gases al motor se realiza a través de las
lumbreras (orificios situados en el cilindro). No existen válvulas que
abren y cierran el paso de los gases en los motores de cuatro tiempos.
El pistón dependiendo de la posición que ocupa en el cilindro en cada
momento abre o cierra el paso de gases a través de las lumbreras.
 El cárter del cigüeñal debe estar sellado y cumple la función de cámara
de precompresión. En el motor de cuatro tiempos, por el contrario, el
cárter sirve de depósito de lubricante.
 La lubricación, que en el motor de cuatro tiempos se efectúa mediante
el cárter, en el motor de dos tiempos se consigue mezclando aceite con
el combustible.

42
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 2 TIEMPOS (V)
VENTAJAS E INCONVENIENTES RESPECTO DEL MOTOR DE 4 TIEMPOS
Ventajas
 El motor de dos tiempos no precisa válvulas de los mecanismos que las gobiernan, por lo tanto
es más liviano y de construcción más sencilla, por lo que resulta más económico.
 Al producirse una explosión por cada vuelta del cigüeñal, desarrolla más potencia para una
misma cilindrada y su marcha es más regular.
 Pueden operar en cualquier orientación ya que el cárter no almacena el lubricante.
Inconvenientes
 Este motor consume aceite, ya que la lubricación se consigue incluyendo una parte de aceite
en el combustible. Este aceite penetra con la mezcla en la cámara de combustión y se quema
produciendo emisiones contaminantes y suciedad dentro del cilindro que pueden afectar a la
bujía impiendo el correcto funcionamiento.
 Su rendimiento mecánico es inferior ya que la compresión, en la fase de compresión-admisión,
no es enteramente efectiva hasta que el pistón mismo cierra las lumbreras de transferencia y
de escape durante su recorrido ascendente. Esta pérdida de compresión también provoca una
pérdida de potencia.
 Durante la fase de potencia-escape, parte del volumen de mezcla sin quemar (mezcla limpia), se
pierde por la lumbrera de escape junto a los gases resultantes de la combustión provocando
no solo una pérdida de rendimiento, sino más emisiones contaminantes.

43
MOTORES MEP y MEC
MOTOR DE ENCENDIDO PROVOCADO (MEP)
 Pueden ser de 2 ó 4 tiempos.
 El combustible se mezcla con aire en un carburador o mediante un sistema de inyección antes
de entrar en el cilindro.
 El encendido es por chispa que suministra una bujía.
 El combustible es gasolina.
MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN (MEC)
 Pueden ser de 2 ó 4 tiempos.
 En el tiempo de admisión entra aire en el cilindro que es fuertemente comprimido elevándose
su temperatura.
 El encendido se produce por la inyección de combustible sobre este aire comprimido y
caliente, provocando su autoinflamación.
 El combustible es gasóleo.
Una mejora sustancial para ambos motores es la sobrealimentación, que consiste en introducir en
los cilindros más aire y combustible de que aceptan de forma natural. Se aumenta la potencia, o se
reduce el tamaño del motor para una misma potencia.

44
Motor alternativo de combustión interna: CICLO
TERMODINÁMICO DE LOS MOTORES MEP (I)
CICLO OTTO TEÓRICO (MEP)
 Tramo 0-1: Admisión de la mezcla: Se
realiza a presión y Tª constantes, las del
exterior. El volumen pasa de V0 a V1
 Tramo 1-2: Compresión adiabática.
Disminuye a un volumen V2 con lo que
aumenta la presión y Tª (P2 y T2).
 Tramo 2-3: Explosión y absorción
inmediata de calor. La combustión hace
que se aumenten la presión y Tª de forma
instantánea hasta P3 y T3 manteniendo el
volumen. Esto hace que se ceda calor del
combustible al motor.
 Tramo 3-4: Expansión adiabática del
pistón. Los gases de la combustión se
expanden en el cilindro hasta V1 por lo
que descienden presión y Tª (P4 y T4).
 Tramo 4-1: Escape de los gases. Al
abrirse la válvula de escape descienden
bruscamente presión y Tª hasta P1 y T1
con lo que el motor cede calor al exterior.
 Tramo 1-0: Expulsión de los gases. El
volumen pasa de V1 a V0
0
1
2
3
4
Nota.- tiene 6 pasos aunque se produce en 4
carreras de pistón
Qc
QF

45
TERMODINÁMICO DE LOS MOTORES MEP (II)
CICLO OTTO TEÓRICO (MEP)
 Es un ciclo cerrado ya que las condiciones de
presión, volumen y temperatura del final son las
iniciales.
 Se produce aportación calórica del combustible
al motor y cesión de calor del motor al exterior.
 La diferencia entre estas energías es el trabajo
mecánico realizado que se manifiesta en la fase
de expansión y provoca que el pistón haga girar
al cigüeñal. En el resto de tramos es éste último
quien arrastra al pistón gracias al volante de
inercia.
El rendimiento teórico del ciclo de Otto será:
A
V
B
V
r
donde
1
γ
2
3
1
4
OTTO
r
1
1
T
T
T
T
1
η 







donde  es el exponente adiabático (1.4 en los gases ideales) y r es la relación entre el
volumen barrido por el pistón VB y el volumen de la cámara de combustión VA

46
TERMODINÁMICO DE LOS MOTORES MEC (I)
CICLO DIESEL TEÓRICO (MEC)
 Tramo 0-1: Admisión: Se realiza a presión y Tª
constantes, las del exterior. El volumen pasa de
V0 a V1
 Tramo 1-2: Compresión adiabática. Disminuye a
un volumen V2 con lo que aumenta la presión y
Tª (P2 y T2).
 Tramo 2-3: Absorción de calor. Manteniendo la
presión cte, la combustión progresiva del
combustible que se inyecta hace que se ceda
calor del combustible al motor.
 Tramo 3-4: Expansión adiabática del pistón. Los
gases de la combustión se expanden en el
cilindro hasta V4 por lo que descienden presión
y Tª (P4 y T4).
 Tramo 4-1: Cesión de calor. Al abrirse la válvula
de escape descienden bruscamente presión y
Tª hasta P1 y T1 con lo que el motor cede calor al
exterior.
 Tramo 1-0: Expulsión de los gases. El volumen
pasa de V1 a V0
0
1
2
3
4
Q
c
QF

47
TERMODINÁMICO DE LOS MOTORES MEC (II)
CICLO DIESEL TEÓRICO (MEC)
El rendimiento teórico del ciclo Diesel será:
  2
V
3
V
C
r
A
V
B
V
r
donde
1
r
γ
1
-
r
r
1
1
η
C
γ
C
1
γ
DIESEL 



 
donde  es el exponente adiabático (1.4 en los gases
ideales) y r es la relación volumétrica y rC es la
relación de combustión.
El rendimiento del ciclo diesel teórico es mayor que el
de otto teórico, ya que aunque el poder calorífico del
gasoil es ligeramente inferior, la mezcla con aire
compensa esto y, además, la relación de compresión
del ciclo diesel es mucho mayor que la del ciclo otto
(por estar éste limitado por la detonación). No
obstante, los ciclos reales difieren notablemente de
los teóricos.

48
TERMODINÁMICO DE LOS MOTORES MEC (III)
VENTAJAS E INCONVENIENTES RESPECTO DEL MOTOR MEP
Ventajas
 Mayor rendimiento térmico; es decir, mayor cantidad de calor transformado en
energía mecánica. (50% frente al 30% de los MEP).
 Menor consumo y menor coste del combustible.
 Vida más larga del motor.
 Menor contaminación de los gases de escape , aunque emiten partículas de
azufre.
Inconvenientes
 Este motor es más pesado.
 Mayor coste de construcción, auque se amortiza antes gracias a su mayor
durabilidad.
 Más ruidoso a causa de las fuertes explosiones en la combustión.

49
PARÁMETROS DEL MOTOR (I)
 DIÁMETRO ó CALIBRE (D) es el diámetro interior del cilindro
medido en mm.
 CARRERA (S) es el espacio que recorre el pistón entre el PMS y el
PMI medido en mm.
 VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN (VC) es el
volumen que ocupa la mezcla cuando el pistón está en el PMS en la
fase de compresión.
 RÉGIMEN DE GIRO (n) es el número de revoluciones por minuto
(rpm) a que gira el motor.

50
PARÁMETROS DEL MOTOR (II)
D
S
diámetro
-
carrera
Relación 
4000
S
D
π
V
2
D 
 RELACIÓN CARRERA-DIÁMETRO (S/D) es el cociente
 CILINDRADA UNITARIA (VD) es el volumen del cilindro entre el
PMS y el PMI medido en cc.
 CILINDRADA TOTAL (VT) es el producto de la cilindrada unitaria
por el número de cilindros (Z) que tiene el motor.
D
T V
Z
V 


51
PARÁMETROS DEL MOTOR (III)
C
C
D
V
V
V
r


 RELACIÓN VOLUMÉTRICA DE COMPRESIÓN (r) es el
cociente entre el volumen ocupado por la mezcla cuando el pistón
está en el PMI y el que ocupa cuando está en el PMS.
Es mayor en los motores
diesel que en los de
gasolina

52
PARÁMETROS DEL MOTOR (IV)
 Calcula la cilindrada unitaria y la cilindrada total de un motor de cuatro
cilindros sabiendo que su diámetro es de 80mm y su carrera de 93mm.
___EJERCICIO___
cc
467.23
4000
93mm
mm
80
π
4000
S
D
π
V
2
2
2
D 


cc
1868.93
467.23cc
4
V
Z
V D
T 





53
PAR MOTOR y POTENCIA
 PAR MOTOR es el momento de rotación que actúa sobre el eje del
motor cuando éste gira. Se obtiene en el cigüeñal y varía con el
régimen de giro del motor.
 POTENCIA es el
trabajo realizado por
unidad de tiempo. Es
consecuencia directa del
par motor y del régimen
de giro.
Es menor en los motores
diesel que en los de
gasolina, para una misma
cilindrada
ω
Γ
PÚTIL


54
PARÁMETROS DEL MOTOR (IV)
 Compara dos motores gasolina y dos motores diesel en cuanto a sus
parámetros y magnitudes características
___EJERCICIO___

55
PARÁMETROS DEL MOTOR (V)
4000s
h
1.11
Km/h
90
Km
100
v
s
t
t
s
V 





KJ
243443
8l
Kg/l
0.7
KJ/Kg
43472
m
P
W
Q C 



 Un automóvil gasta 8l de gasolina cada 100Km cuando circula a una velocidad
constante de 90Km/h y desarrolla 40Kw de potencia. Si la gasolina tiene una
densidad de 700Kg/m3 y un poder calorífico de 43472KJ/Kg, determina el
rendimiento del motor.
___EJERCICIO___
Trabajo consumido en 100Km
(energía calorífica del combustible)
tiempo durante el que se ha
consumido trabajo
Potencia consumida
KW
60.86
s
4000
KJ
243443
t
W
P 


66%
0.66
KW
60.86
KW
40
P
P
Q
W
η
CONSUMIDA
UTIL
t 





56
PARÁMETROS DEL MOTOR (VI)
 En un motor de 2T se produce un trabajo neto de 20J en cada ciclo, deducidos del
diagrama PV real. Si el motor gira a 4000 rpm cuál será su potencia? ¿Cuánta
gasolina consumirá en l/h si tiene un rendimiento del 35%? ¿Cuál será el par
motor? (poder calorífico de la gasolina es 45980KJ/Kg y su densidad 700Kg/m3)
___EJERCICIO___
KJ/l
32186
Kg/l
0.7
KJ/Kg
45980
m
P
W
Q C 




Potencia útil en 4000 ciclos
Poder calorífico en J/l
Trabajo consumido por hora
KW
1.33
4000
60s
J
20
n
t
W
PÚTIL



W
3809.52
0.35
KW
1.33
η
P
P
P
P
Q
W
η
t
UTIL
CONSUMIDA
CONSUMIDA
UTIL
t 





13714272J
3600s
3809.52W
t
P
W CONSUMIDO
CONSUMIDO 


l
0.43
KJ/l
32186
KJ
13714.272
consumo 


57
PARÁMETROS DEL MOTOR (VII)
 En un motor de 2T se produce un trabajo neto de 20J en cada ciclo, deducidos del
diagrama PV real. Si el motor gira a 4000 rpm cuál será su potencia? ¿Cuánta
gasolina consumirá en l/h si tiene un rendimiento del 35%? ¿Cuál será el par
motor? (poder calorífico de la gasolina es 45980KJ/Kg y su densidad 700Kg/m3)
___EJERCICIO___ (continuación)
Nm
3.18
rad/s
418.88
KW
1.33
ω
P
Γ
ω
Γ
P UTIL
ÚTIL





1
-
s
418.88
s
60
2π
4000
t
2π
n
ω 

 Velocidad angular

58
PARÁMETROS DEL MOTOR (VIII)
W
50265.48
rad/s
418.88
120Nm
ω
Γ
PÚTIL




1
-
s
418.88
s
60
2π
4000
t
2π
n
ω 


 El motor de una motocicleta tiene un par motor máximo de 120Nm a 4000rpm
cuando va a una velocidad de 144Km/h. ¿Cuáles son la potencia desarrollada y el
consumo en l/100Km en estas condiciones, si el rendimiento del motor es del 40%?
(poder calorífico de la gasolina es 45980KJ/Kg y su densidad 700Kg/m3)
___EJERCICIO___
W
125663.7
0.4
W
50265.48
η
P
P
t
UTIL
CONSUMIDA 


J
26
.
314159
00s
25
W
7
.
125663
t
P
W CONSUMIDO
CONSUMIDO K



2500s
h
0.6994
Km/h
144
100Km
v
s
t 



l
9.76
Kg/l
0.7
KJ/Kg
45980
KJ
314159.26
100Km
los
a
consumo 



59
RENDIMIENTO
 RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO definido porque el motor no se
llena completamente de aire. En los motores MEP se alcanzan
rendimientos del 95%.
 RENDIMIENTO TÉRMICO relaciona la potencia de motor con la
potencia liberada por el combustible puesto en juego. (incluye las
pérdidas de calor y el rendimiento termodinámico del ciclo). En los
motores MEP se alcanzan rendimientos del 30% mientras que en los
MEC del 50%.
 RENDIMIENTO MECÁNICO debido a los órganos mecánicos
adyacentes al motor. En el mejor de los casos será del 85 ó 90%.

60
Motor rotativo de combustión externa:
TURBINA DE VAPOR (I)
Convierte en energía mecánica la
energía de una corriente de agua, vapor
de agua o gas. El elemento básico de la
turbina es la rueda o rotor, que cuenta
con palas o álabes, hélices, cuchillas o
cubos colocados alrededor de su
circunferencia, de tal forma que el fluido
en movimiento produce una fuerza
tangencial que impulsa la rueda y la
hace girar. Esta energía mecánica se
transfiere a través de un eje para
proporcionar el movimiento de una
máquina, un compresor, un generador
eléctrico o una hélice.
Muy utilizadas en centrales eléctricas y
propulsión de buques

61
Motor rotativo de combustión externa:
TURBINA DE VAPOR (II)
DETALLE ÁLABES
El funcionamiento de la
turbina de vapor se
basa en el principio
termodinámico que
expresa que cuando el
vapor se expande
disminuye su presión y
temperatura reduciendo
su energía interna. Esta
reducción de la energía
interna se transforma en
energía mecánica por la
aceleración de las
partículas de vapor, lo
que permite disponer
directamente de una
gran cantidad de
energía.
FUNCIONAMIENTO CLASIFICACIÓN

62
Motor rotativo de combustión interna:
MOTOR WANKEL (I)
COMPONENTES EXTERIORES
El motor Wankel
utiliza rotores en
vez de los pistones.

63
MOTOR WANKEL (II)
COMPONENTES INTERIORES
Se desarrollan los mismos 4
tiempos pero en lugares
distintos de la carcasa; es
como tener un cilindro
dedicado a cada uno de los
tiempos, con el pistón
moviéndose continuamente
de uno a otro. Más
concretamente, el cilindro es
una cavidad con forma de 8,
dentro de la cual se encuentra
un pistón triangular que
realiza un giro de centro
variable. Este pistón
comunica su movimiento
rotatorio a un cigüeñal que se
encuentra en su interior, y que
gira ya con un centro único.
DESPIECE

64
MOTOR WANKEL (III)
Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la
presión creada por la combustión de la mezcla aire-
combustible. La diferencia radica en que esta presión
está contenida en la cámara formada por una parte del
recinto y sellada por uno de los lados del rotor
triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los
pistones.
El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3
vértices en contacto con el alojamiento, delimitando
así tres compartimentos separados de mezcla. A
medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno
de los 3 volúmenes se expanden y contraen
alternativamente; es esta expansión-contracción la que
succiona el aire y el combustible hacia el motor,
comprime la mezcla, extrae su energía expansiva y la
expele hacia el escape.
FUNCIONAMIENTO
FUNCIONAMIENTO

65
MOTOR WANKEL (IV)
FUNCIONAMIENTO

66
Motor rotativo de combustión
interna: MOTOR WANKEL (V)
VENTAJAS E INCONVENIENTES RESPECTO DEL MOTOR MEP
Ventajas
 Menos piezas móviles. Mayor fiabilidad.
 Suavidad de la marcha. El sentido de giro es único.
 Menor velocidad de rotación. Mayor fiabilidad.
 Menos vibraciones y ruido.
 Menor peso y volumen.
Inconvenientes
 Emisiones muy contaminantes. No se ajusta a la normativa.
 Problemas de estanqueidad.
 Mantenimiento caro al no estar muy distribuido.
 Difícil sincronización.

67
TURBINAS DE GAS DE CICLO ABIERTO (I)
COMPONENTES
Una turbina de gas,
es una turbomáquina
motora, cuyo fluido
de trabajo es un gas

68
TURBINAS DE GAS DE CICLO ABIERTO (II)
FUNCIONAMIENTO DE UN TURBORREACTOR
Hay una admisión de aire que es comprimido por un compresor solidario al eje de la turbina y
dirigido a la cámara de combustión, donde mezclado con combustible se produce una combustión
continua. Los gases generados a gran velocidad y Tª son expulsados hacia el exterior pasando por
los álabes de una turbina. Por el principio de acción-reacción se produce empuje en sentido
contrario.
FUNCIONAMIENTO

69
Máquina Frigorífica (I)
 MÁQUINA FRIGORÍFICA es cualquier dispositivo capaz de
hacer descender la temperatura de un determinado objeto o lugar
haciéndola inferior a la de su entorno. Para ello tiene que consumir
trabajo.
REFRIGERADOR
BOMBA DE CALOR
MÁQUINA FRIGORÍFICA

70
Máquina Frigorífica (II)
FOCO
(TC)
FOCO
(TF)
producir trabajo
MOTOR TÉRMICO
MÁQUINA
FRIGORÍFICA
QC QF
W = Qc - QF
TC > TF
FOCO
(TC)
FOCO
(TF)
QC
QF
W = Qc - QF
TC > TF
El calor se extrae del foco
frío y se manda al caliente.
La diferencia de calor es el
trabajo consumido
Para que se produzca trabajo neto la máquina térmica debe funcionar entre 2 focos a
temperaturas diferentes, de lo contrario no hay tránsito de calor

71
Máquina Frigorífica o Refrigerador (I)
 La más utilizada es la de compresor.
 Funciona según un ciclo cerrado en el que un gas es comprimido por lo que sufre
una condensación para después sufrir un proceso de evaporación.
 Durante la evaporación se extrae el calor del lugar a refrigerar (fuente fría) y en la
condensación se cede calor hacia el exterior (fuente caliente)
 Consta de 4 partes: compresor, condensador, válvula de expansión (o tubo capilar)
y evaporador.
PARTES DEL
REFRIGERADOR

72
Máquina Frigorífica o Refrigerador (II)
 El gas pertenece al grupo de los fluidos criogénicos:
 Calor latente de vaporización elevado
 Presión de evaporación mayor que la atmosférica
 Otras características del gas deben ser:
 No fácilmente inflamable
 No provocar explosiones
 No tóxico ni contaminante (antes se usaban CFC’s)
 No corrosivo de los metales
 Tener cierta viscosidad que impida fugas fortuitas.

73
Máquina Frigorífica o Refrigerador (III)
CICLO TÉRMICO. DIAGRAMA P-V
Proceso 1-2: Compresión adiabática del gas desde
Tf=T1=T4 hasta Tc=T2=T3. El compresor aspira el gas
procedente de la evaporación, disminuye su presión
acelerando su evaporación y al otro lado comprime
adiabáticamente hacia el condensador favoreciendo
la condensación. Se consume trabajo.
Proceso 2-3: Compresión isoterma del gas a Tc. El
gas licua en el condensador y se cede QC al foco
caliente ya que la compresión ha elevado la Tª de la
máquina por encima de la del foco caliente. Al haber
cambio de estado la Tª se mantiene y se cede el calor
latente de evaporación.
Proceso 3-4: Expansión adiabática del gas desde Tc hasta Tf. Disminuyen Tª y presión
del líquido empezando la evaporación
Proceso 4-1: Expansión isotérmica del gas a Tf en el evaporador mientras se extrae
calor Qf del foco frío, gracias a que la Tª del gas es menor a la del recinto a refrigerar.
Al perder presión el líquido se evapora absorbiendo calor. Al haber cambio de estado
la Tª se mantiene y se absorbe el calor latente de evaporación.

74
Máquina Frigorífica o Refrigerador (IV)
CICLO TÉRMICO. DIAGRAMA P-V
Los procesos 1-2 y 2-3 son de compresión
para licuar el gas. Se producen en el
compresor y condensador respectivamente.
Los procesos 3-4 y 4-1 son de expansión
para evaporar el líquido. Se producen en la
válvula de expansión y evaporador,
respectivamente.
Los procesos 2-3 y 4-1 son isotermos; no
hay cambio de Tª pero si de estado, por lo
que se produce en la máquina cesión y
absorción del calor latente de evaporación,
respectivamente.
Los procesos 1-2 y 3-4 son adabáticos; al
variar la presión varía la Tª hasta Tc y Tf
respectivamente.
FUNCIONAMIENTO

75
Máquina Frigorífica o Refrigerador (V)
 COEFICIENTE DE EFICIENCIA o DE OPERACIÓN (COP)
es el cociente del calor que se extrae del foco frío Qf y el trabajo
aportado en la compresión W
 Se calcula de forma inversa a la eficiencia de una máquina térmica generadora
de trabajo.
 Podría ser mayor a la unidad, lo que significaría no un rendimiento mayor del
100% sino que nunca el calor extraído por unidad de trabajo será mayor al
obtenido en la máquina reversible de Carnot, que es ideal.
 En cualquier caso, los procesos no son perfectamente reversibles, la
compresión no es ideal y en la condensación se pierde energía, por lo que
nunca se realiza el ciclo ideal de Carnot.
 Interesa extraer la mayor cantidad posible de calor invirtiendo el menor trabajo
posible.
F
C
F
F
C
F
F
T
T
T
Q
Q
Q
W
Q
COP






76
 Determina la potencia que tiene que tener un refrigerador con un COP=6
para fabricar cubitos a partir de 5l de agua a 20ºC en un tiempo de 10
minutos. El agua tiene un calor específico de 4.18 KJ/KgºC y un calor
latente de fusión de 333.5 KJ/Kg
Máquina Frigorífica o Refrigerador (VI)
KJ
1667
KJ/Kg
333.5
5Kg
C
m
Q l
2 



___EJERCICIO___
KJ
347.85
6
KJ
2085
COP
Q
W
W
Q
COP F
F





2085KJ
1667KJ
418KJ
Q
Q
Q 2
1 




KW
0.58
s
600
KJ
347.85
t
W
P 


KJ
418
C
20º
C
4.18KJ/Kgº
5Kg
ΔT
C
m
Q e
1 



 Calor extraído hasta los 0ºC
Calor extraído para congelar

77
Bomba de calor (IV)
    140KJ
50KJ
1.8
1
W
COP
1
QC 






 En una cocina, un refrigerador extrae 90KJ por minuto de calor del
espacio refrigerado. Si su COP es 1.8 determina la potencia eléctrica
consumida por el refrigerador y el calor cedido a la cocina por minuto
___EJERCICIO___
KW
0.833
60s
50KJ
t
W
P 


50KJ
1.8
90KJ
COP
Q
W
W
Q
COP F
F






 Un refrigerador doméstico con un motor de 450W de potencia
y un COP de 2.5 tiene que enfriar hasta los 8ºC 10Kg de fruta
que se encuentra inicialmente a 20ºC. ¿Cuánto tiempo tardará
en hacerlo si el calor específico de la fruta es 4.2 KJ/KgºC?
Bomba de calor (V)
s
448
450W
201.6KJ
P
W
t
t
W
P 




KJ
201.6
2.5
KJ
504
COP
Q
W
W
Q
COP F
F





KJ
504
C)
8º
-
C
(20º
C
4.2KJ/Kgº
10Kg
ΔT
C
m
Q e
1 




Calor extraído hasta los 8ºC
78

79
Bomba de calor (I)
 BOMBA de CALOR es un
refrigerador que se aprovecha el
calor cedido al condensador para
calentar un recinto, actuando como
calefactor.
 Puede funcionar en sentido inverso,
mediante una válvula reversible a la
salida del compresor, haciendo
pasar el aire por el evaporador para
obtener refrigeración.

80
 COEFICIENTE DE EFICIENCIA o DE OPERACIÓN (COP)
es el cociente del calor que se extrae del foco frío Qf y el trabajo
aportado en la compresión W. En este caso interesa conocer el calor
que se cede al foco caliente Qc
Bomba de calor (II)
W
W
Q
W
Q
COP C
F



W
Q
Q F
C 

donde el calor cedido por el
condensador al exterior es la
suma del calor obtenido del
evaporador más el trabajo
realizado por el compresor
COP
1
Q
W C



81
Bomba de calor (III)
12874Kcal
12010Kcal
864Kcal
Q
W
Q
12010Kcal
1KWh
864Kcal
1KWh
13.9
W
COP
Q
F
C
F










 Una bomba de calor funciona según el ciclo de Carnot entre dos focos a
25ºC y 5ºC, respectivamente. La energía suministrada al sistema es
1KWh. Calcula la cantidad de calor extraída del foco frío, la que se cede
al foco caliente y el COP
___EJERCICIO___
K
278
273
5
T
K
298
273
25
T
F
c





 13.9
20K
278K
T
T
T
COP
F
C
F





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