Es costumbre explicar el funcionamiento de los motores
desde un punto de vista mecánico, empero en realidad los motores
son máquinas térmicas y su estudio y calculo se hace desde
un punto de vista termodinámico, mientras que el análisis
mecánico hace a las características constructivas.
La termodinámica es una especialidad de la física
que como su nombre lo indica, estudia la dinámica del calor y
principalmente la reacción de los gases ante cambios determinados
de este. No es una ciencia muy difundida entre el común de la
gente (no relacionada con carreras técnicas industriales) siendo
en ese aspecto mas conocida la mecánica y también de mas
fácil interpretación.
A pesar de no ser tan difundida, resulta vital, pues
como toda ley física, rige para todo el universo y de hecho el
universo se rige por estas leyes, como ejemplo digamos que la atmósfera
terrestre esta constituida por gases el que esta sometido a intercambio
de calor y variaciones de presión, lo que le va a producir cambios,
estos cambios siguen formulaciones y leyes termodinámicas, para
no hablar del calor y su comportamiento, presente en todo el universo.
Uno de los avances mas importantes en la termodinámica
se dio en el siglo XVII momento en que el físico ingles Boyle
y el francés Mariotte, tras experimentar con los gases llegan
simultáneamente a determinar lo que se conocería como
la ley fundamental de los gases perfectos y dice:
A temperatura constante el volumen
de una masa de gas esta en relación inversa a la presión
a que se encuentra sometida.
En otras palabras es, si la temperatura es constante,
a mayor presión menor volumen y viceversa, esto matemáticamente
por las siguientes expresiones:
P .V =
R. T
P = r
. R . T
Donde P
es la presión, V el volumen por mol,
T la temperatura absoluta,
R la constante de los gases perfectos, r
la densidad.
En base a esto pueden establecerse las
siguientes leyes:
A presión constante, el volumen de un gas es
proporcional a la temperatura y la densidad será inversa del
volumen y de la temperatura.
A volumen constante, la presión es directamente
proporcional a la temperatura y la densidad inversa.
A temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente
proporcional a la presión y la densidad directamente proporcional.
A partir de aquí se siguieron estudios e investigaciones
para determinar como variaban los gases tras cambios de temperatura,
presión, volumen, o varios de ellos simultáneamente dando
origen a las transformaciones térmicas, que podemos resumirlas
en:
Si en un recipiente cerrado tenemos un gas que bien
puede ser aire a determinada presión y lo calentamos, si no se
permite que varíe su volumen, se verá un incremento en
la presión del mismo, esta es una transformación a
volumen constante. Por otra parte si se realiza lo mismo pero se
mantiene constante su presión, el incremento será de volumen
(transformación a presión constante). ---si se
permiten variaciones de presión y volumen según ciertos
parámetros, se tendrá una transformación adiabática.
Si se tiene un cilindro conteniendo un gas, tapado con
un pistón capaz de desplazarse hacia arriba y hacia abajo dentro
del mismo, construidos con materiales que no permitan la transferencia
de calor, es decir que no es posible que se ceda o se absorba calor
a través de sus paredes, y empieza a desplazarse el pistón
de modo que comprima el gas, este reducirá su volumen, como es
obvio se elevara la presión y ademas se calentará. Por
el contrario si se expande el gas aumentará su volumen, disminuirá
su presión y se enfriará.
Si en ningún momento se produjo transferencia
de calor, es decir que el gas en el cilindro ni absorbió, ni
cedió calor se tendrá una transformación adiabática.
En otras palabras, las transformaciones que impliquen
variaciones de volumen y presión si producirse un intercambio
de calor son transformaciones adiábaticas.
Estas son transformaciones puras en condiciones ideales,
en la realidad existen perdidas, por ende, estas transformaciones no
ocurren de esta forma exacta, mezclándose entre si, dando lugar
a las politrópicas.
En lo que respecta al calculo y estimaciones de estas
transformaciones, matemáticamente hablando, todas parten de las
ecuaciones propuestas en la ley de gases perfectos, de allí su
importancia.
No proseguiremos mas con esta especialidad, pues no
es objetivo de este curso explicar esta ciencia, que ademas es extensa,
compleja y requiere una serie de conocimientos previos para poder entenderla.
Esta breve explicación es un comentario para incentivar y orientar
al alumno en la investigación y no quedarse con la explicación
clásica acostumbrada y en general con errores de concepto.