En el estudio de la física y la termodinámica, un proceso es un cambio de estado en un sistema donde se alteran sus propiedades termodinámicas, como presión, volumen y temperatura, mediante la transferencia de energía en forma de calor o trabajo. Estos procesos intervienen en los ciclos termodinámicos de los motores de combustión interna (endotérmicos), que son los motores que se encuentran comúnmente en automóviles, motocicletas y muchos otros tipos de maquinaria.
Los motores endotérmicos convierten la energía química del combustible (como la gasolina o el diésel) en energía mecánica. Esto se logra mediante ciclos termodinámicos que ocurren dentro de los cilindros del motor. Los principales componentes del motor incluyen el pistón, el cilindro, la válvula de admisión, la válvula de escape y el cigüeñal. El movimiento de los pistones dentro de los cilindros es lo que finalmente impulsa el vehículo.
Los ciclos más importantes en estos motores son los ciclos Otto y Diésel. En ambos casos, los procesos termodinámicos que aparecen en sus diferentes etapas son los siguientes:
- Isobárico: La presión se mantiene constante mientras el volumen cambia.
- Adiabático: No hay intercambio de calor con el entorno; la presión y la temperatura cambian debido a la compresión o expansión del gas.
- Isocórico (Isocórico): El volumen se mantiene constante mientras la presión y la temperatura cambian.
Etapas del ciclo Otto
Uno de los ciclos más comunes que describe el funcionamiento de los motores de combustión interna es el ciclo Otto. Este ciclo consta de cuatro etapas principales: admisión, compresión, combustión (expansión) y escape.
1. Admisión (proceso isobárico)
Durante la etapa de admisión, la válvula de admisión se abre y el pistón se mueve hacia abajo dentro del cilindro. Esto permite que la mezcla de aire y combustible ingrese al cilindro.
En este punto, el proceso es isobárico, ya que la presión dentro del cilindro se mantiene constante (igual a la presión atmosférica) mientras el volumen aumenta. Este aumento en volumen se debe al movimiento descendente del pistón que crea más espacio dentro del cilindro.
2. Compresión (proceso adiabático)
Después de que la mezcla de aire y combustible ha ingresado al cilindro, la válvula de admisión se cierra y el pistón se mueve hacia arriba, comprimiendo la mezcla.
Este proceso aumenta la temperatura y la presión de la mezcla, pero no es un proceso isobárico, sino adiabático, porque la presión cambia durante la compresión.
3. Combustión y expansión (proceso isocórico y luego isobárico)
En el momento en que el pistón alcanza la parte superior del cilindro, se enciende la mezcla comprimida mediante una chispa. La rápida combustión de la mezcla produce un aumento repentino de la temperatura y presión (proceso isocórico), seguido de la expansión de los gases.
A medida que el pistón se mueve hacia abajo durante la expansión, el volumen del cilindro aumenta y la presión tiende a mantenerse constante (proceso isobárico) en la fase final de expansión.
4. Escape (proceso isobárico)
En la etapa de escape, la válvula de escape se abre y el pistón se mueve hacia arriba nuevamente, empujando los gases quemados fuera del cilindro.
Al igual que en la etapa de admisión, la presión en el cilindro se mantiene relativamente constante (a la presión atmosférica) mientras el volumen disminuye. Este es otro ejemplo de un proceso isobárico.
Etapas de ciclo Diésel
En el ciclo Diésel, la eficiencia y el funcionamiento dependen de cómo se manejan la presión, el volumen y la temperatura dentro del motor.
1. Admisión (proceso isobárico)
Durante la fase de admisión, la válvula de admisión se abre y el pistón se mueve hacia abajo en el cilindro. Esto permite que el aire entre en el cilindro.
En esta etapa, el proceso es isobárico, ya que la presión dentro del cilindro se mantiene constante a la presión atmosférica mientras el volumen aumenta debido al movimiento descendente del pistón. A diferencia de los motores de gasolina, en los motores diésel solo entra aire en esta fase, no una mezcla de aire y combustible.
2. Compresión (proceso adiabático)
En la fase de compresión, la válvula de admisión se cierra y el pistón se mueve hacia arriba, comprimiendo el aire dentro del cilindro.
Este proceso aumenta significativamente la temperatura y la presión del aire debido a la alta relación de compresión del motor diésel, lo que no es un proceso isobárico sino adiabático, ya que la presión cambia considerablemente.
3. Combustión (proceso isobárico e isocórico)
La fase de combustión en un motor diésel se inicia cuando el pistón está cerca de su punto más alto (punto muerto superior). En este punto, se inyecta combustible diésel finamente atomizado en el aire comprimido.
Debido a la alta temperatura del aire comprimido, el combustible se enciende espontáneamente (autoignición). Aquí, la combustión se divide en dos partes:
- Combustión inicial (proceso isocórico): Al inicio, el combustible inyectado se quema rápidamente, aumentando la temperatura y la presión sin un cambio significativo en el volumen.
- Combustión de expansión (proceso isobárico): Luego, se inyecta más combustible de manera controlada, lo que mantiene la presión constante mientras el volumen aumenta debido al movimiento descendente del pistón. Este es un proceso isobárico y es crucial para la eficiencia del motor diésel, ya que permite una expansión controlada del gas y una entrega de potencia más suave.
Escape (proceso isobárico)
En la fase de escape, la válvula de escape se abre y el pistón se mueve hacia arriba nuevamente, expulsando los gases quemados fuera del cilindro.
Similar a la fase de admisión, la presión en el cilindro se mantiene relativamente constante (a la presión atmosférica) mientras el volumen disminuye. Este es otro proceso isobárico.
Diferencias entre los ciclos Diésel y Otto
En el ciclo Otto, los procesos isobáricos ocurren durante la admisión y el escape. Durante la admisión, la mezcla de aire y combustible entra al cilindro a presión constante, y durante el escape, los gases quemados son expulsados a presión constante. No hay un proceso isobárico durante la combustión y expansión.
Por otro lado, en el ciclo diésel, también hay procesos isobáricos durante la admisión y el escape, pero el aire solo es admitido en la admisión. En este caso, el ciclo Diésel incluye un proceso isobárico durante la combustión.
Después de la autoignición del combustible, la combustión se realiza a presión constante mientras el pistón desciende, permitiendo una quema controlada y una expansión eficiente de los gases. Esta diferencia en la fase de combustión contribuye a la mayor eficiencia del motor diésel comparado con el motor de gasolina del ciclo Otto.