ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA CARREDA DE INGENIERÍA QUÍMICIA AREA ACADÉMICA: INGENIERÍA EN INDUSTRIA Y CONSTRUCCIÓN PERIODO ACADEMICO: ABRIL-FEBERERO 2017 CATEDRA DE: TERMODINAMICA 1 TEMA: CICLO DE OTTO
GRUPO No.: 3
REALIZADO POR:
NOMBRE (S): estudiante(s)
CODIGO(S): de estudiante(s)
Karla Orbea
983525
Cinthya Ramírez
983518
Ana López
983578
Karol Horna
RIOBAMBA-ECUADOR
1. Introducción: Muchas de las máquinas térmicas que se construyen en la actualidad (motores de camiones, autos, maquinaria, etc.) están provistas de un motor denominado motor de cuatro tiempos. El ciclo que describe el fluido de trabajo de dichas máquinas se denomina ciclo de Otto, fue inventado a finales del siglo XIX por el ingeniero alemán del mismo nombre Nicolaus August Otto. En el ciclo de Otto, el fluido de trabajo es una mezcla de aire y gasolina que experimenta una serie de transformaciones (seis etapas, aunque el trabajo realizado en dos de ellas se cancela) en el interior de un cilindro provisto de un pistón.
2. El ciclo de Otto: relacionado con la primera y segunda ley de la termodinámica: Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. Este ciclo está formado por seis pasos, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión.
Siendo r = VA / VB la razón de compresión igual al cociente entre el volumen al inicio del ciclo de compresión y al final de él. Para ello, se halló el rendimiento a partir del calor que entra en el sistema y el que sale de él; expresando el resultado en términos de las temperaturas en los vértices del ciclo y, con ayuda de la le y de Poisson1, se relacionó este resultado con los volúmenes VA y VB. Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. Las fases de operación de este motor son las siguientes:
1. Admisión: El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la ext erior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.
2. Compresión (2) El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.
3. Combustión Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible.
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La distribución de Poisson es una distribución de probabilidad discreta que expresa, a partir de una frecuencia de ocurrencia media, la probabilidad de que ocurra un determinado número de eventos durante cierto período de tiempo. Concretamente, se especializa en la probabilidad de ocurrencia de sucesos con probabilidades muy pequeñas, o sucesos "raros". (Guerriero V, 2016)
4. Expansión La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D.
5. Escape Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isocora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo. En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos. 2 En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.
Imagen 01: Un ciclo Otto ideal Fuente: Anónimo A, A (03/12/2016) [Formato JPG]. Recuperado de: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto
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Anónimo A, A (03/12/2016) http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto. Descripción del ciclo de Otto
La segunda ley de la termodinámica establece cuáles procesos pueden ocurrir y cuáles no en la naturaleza. A partir de la primera ley de la termodinámica vemos que el trabajo neto W hecho por la máquina térmica es igual al calor neto que fluye hacia ella. El rendimiento del ciclo de Otto, como el de cualquier otra máquina térmica, viene dado por la relación entre el trabajo total realizado durante el cicl o y el calor suministrado al fluido de trabajo:
La absorción de calor tiene lugar en la etapa 2 y etapa 3 y la cesión en la etapa la etapa 1, por lo que:
4 y en
Suponiendo que la mezcla de aire y gasolina se comporta como un gas ideal, los calores que aparecen en la ecuación anterior vienen dados por:
Ya que ambas transformaciones son isocoras. Sustituyendo en la expresión del rendimiento:
Las transformaciones 1, 2 y 3, 4 son adiabáticas, por lo que:
Puesto que V 2 = V 3 y V 4 = V 1.
Restando,
La relación entre volúmenes V 1/V 2 se denomina relación de compresión (r ). Sustituyendo en la expresión del rendimiento se obtiene:
El rendimiento expresado en función de la relación de compresión es:
Cuanto mayor sea la relación de compresión, mayor será el rendimiento del ciclo de Otto.
Imagen 01: Ciclo de Otto indica la forma aproximada los puntos del ciclo donde tienen lugar la explosión y el escape respectivamente.Fuente: Marín, T. Blas (03/12/2016) [Formato JPG]. Recuperado de: http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/otto.html
6. Ciclo de combustión interna de un motor de cuatro tiempos 3
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Ciclo de un motor de 4 tiempos (2013) Recuperado de: https://minificciones.files.wordpress.com/2011/06/fc3adsicauniversitaria_capitulo_20.pdf
7. Aplicación industrial del Ciclo de Otto MOTOR DE DOS TIEMPOS: Se utilizan en las motocicletas, motores de ultraligeros (ULM) y motores marinos fuera borda hasta una cierta cilindrada, habiendo perdido mucho terreno en este campo por las normas anticontaminación. Sólo motores muy pequeños como moto sierras y pequeños grupos electrógenos siguen llevándolo. MOTOR DE CUATRO TIEMPOS Muy utilizados en las motocicletas de todas las cilindradas, en automóviles, en aviación deportiva y fuera borda.
Imagen 02: Vehículo con motor a gasolina tipo Otto Fuente: Gutiérrez D. (03/12/2016) [Formato JPG]. Recuperado de: http://www.monografias.com/trabajos95/motor-tipo-otto/motor-tipootto.shtml
Se utilizan también en grupos generadores de energía eléctrica de emergencia estos entran en funcionamiento cuando hay fallas en el suministro de electricidad, de este modo se pueden poner en funcionamiento diversas maquinas sin necesitar de alimentación eléctrica.
8. Conclusiones:
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta de seis procesos. Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. El motor de cuatro tiempos es uno de los más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos. El ciclo de Otto es de gran importancia en la industria automovilística y se utilizan en generadores de energía eléctrica de emergencia.
9. Bibliografía
Yunus A., Cengel (2006) Termodinámica. 6ª ed. México D.F; México. Mc Graw-Hill Interamericana de México. Jorge A., Rodríguez (2015) Introducción a la termodinámica, con aplicaciones a la ingeniería. Universidad Tecnológica Nacional. Ley de Poisson (2016) Guerriero A., Recuperado de: http://www.sjmmf.org/paperInfo.aspx?ID=886 Descripción del ciclo de Otto (2016) Recuperado de: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto. Descripción del ciclo de Otto Ciclo de un motor de 4 tiempos (2013) Recuperado de: https://minificciones.files.wordpress.com/2011/06/fc3adsicauniversitaria_capitulo_20. [pdf] Motor de tipo Otto (2014). Gutiérrez D. Recuperado de: http://www.monografias.com/trabajos95/motor-tipo-otto/motor-tipo-otto.shtml
