¿Qué es un sistema cilindro pistón y cómo se relaciona con los principios termodinámicos?

El cilindro pistón, también conocido como émbolo o pistón, es un elemento indispensable en diversas máquinas que operan según los principios de la termodinámica, como los motores de combustión interna, los compresores mecánicos y las bombas de calor.

Cilindro pistón

En este artículo analizaremos las partes, el funcionamiento de un sistema cilindro pistón y la cercana relación que existe entre el sistema cilindro pistón o sistema émbolo pistón y las leyes fundamentales de la termodinámica.

Tabla de contenidos
  1. Descripción y operación del componente cilindro pistón
  2. Funcionamiento de un sistema cilindro pistón
  3. Cómo se relaciona el cilindro pistón o embolo con las leyes termodinámicas

Descripción y operación del componente cilindro pistón

¿Qué es un sistema cilindro pistón o sistema cilindro émbolo?

Sistema cilindro pistón

Lo primero que se tiene que entender es ¿Qué es un sistema cilindro pistón?. En termodinámica se les conoce como sistemas cilindro pistón, o sistema cilindro émbolo. La mejor manera de describirlos es con el siguiente concepto:

“Un sistema cilindro pistón es un sistema cerrado que contiene un gas o fluido presurizado en su interior. Este pistón puede moverse hacia arriba o hacia abajo libremente, para poder cambiar el volumen que ocupa el fluido en su interior”

Partes de un cilindro pistón o embolo

El pistón o embolo consta de las siguientes partes:

  • Cilindro: Es un tubo generalmente fabricado en hierro o aluminio dentro del cual se mueve el pistón. Suele tener camisas de material más suave para garantizar un buen sellado y ofrecer aislamiento térmico en muchos casos.
  • Pistón: Pieza mecánica con forma de émbolo que se desplaza alternativamente en el cilindro, transformando la energía de gases presurizados en trabajo mecánico.
  • Segmentos: Son anillos elásticos que sellan la unión entre el pistón y las paredes internas del cilindro.

Funcionamiento de un sistema cilindro pistón

En este tipo de sistema cilindro pistón, la energía total del sistema (sistema cerrado) debe permanecer constante. De modo, que la energía total de dicho sistema vendrá representada por la suma de la energía interna del fluido que se encuentra dentro del cilindro pistón, el trabajo que realiza el pistón al desplazarse por el cilindro y la transferencia de calor entre el sistema y sus alrededores.

Al considerar que el sistema es cerrado y que no hay intercambio de materia con los alrededores, la energía interna del gas o el fluido es constante. Así, al aplicar la primera ley de la termodinámica para este sistema con las consideraciones descritas, quedaría representada por la siguiente expresión:

Q = W

Donde:

  • Q: Transferencia de calor entre el sistema y los alrededores
  • W: Trabajo realizado por el pistón al desplazarse por el cilindro

Como podemos notar, los procesos termodinámicos que se pueden realizar con un sistema cilindro pistón pueden clasificarse en función de la variación del volumen del fluido dentro del cilindro, la presión del fluido dentro del cilindro y la temperatura a la cual se encuentra el fluido dentro del cilindro.

Se puede describir el funcionamiento de un sistema cilindro pistón o émbolo pistón mediante una serie de procesos termodinámicos, los cuales veremos a continuación:

Expansión isotérmica

Esta se presenta cuando el volumen del gas o fluido dentro del cilindro aumenta de un estado termodinámico a otro, sin embargo, la temperatura permanece constante. Este proceso se logra cuando se experimenta transferencia de calor entre el sistema y los alrededores.

Expansión isotérmica. Imagen de lumemlearning

En la figura, el pistón se ha desplazado hacia arriba en el cilindro, permitiendo una expansión del gas que ejerce un trabajo sobre el pistón. El calor se transfiere desde los alrededores al sistema, de modo, que la temperatura siempre permanezca constante.

Compresión isotérmica

Al contrario de la expansión isotérmica, en este proceso termodinámico el volumen del gas o fluido dentro del cilindro disminuye, manteniendo la temperatura constante. Al igual que en la expansión se experimenta una transferencia de calor entre el sistema y los alrededores.

Compresión isotérmica

Como podemos notar en la figura anterior, el émbolo se desplaza hacia abajo dentro del cilindro, comprimiendo al fluido y disminuyendo el volumen que ocupa dentro del cilindro, mediante la ejecución de un trabajo contra el pistón. En este caso el
calor se transfiere dese el sistema hacia los alrededores.

Expansión adiabática

Aumenta el volumen del gas o fluido dentro del cilindro, sin experimentar transferencia de calor del sistema con los alrededores. De este modo, el trabajo debe realizarse utilizando la propia energía interna del gas o fluido.

Expansión adiabática

Puede notarse en la figura que el pistón se desplaza hacia arriba dentro del cilindro, así, el gas en el interior del cilindro se expande. Al no haber transferencia de energía con los alrededores, la energía interna del gas o fluido disminuye, permitiendo un descenso de la temperatura dentro del cilindro.

Compresión adiabática

Disminuye el volumen del gas o fluido dentro del cilindro, sin experimentar transferencia de calor entre el sistema y los alrededores. Igual que en la expansión adiabática, el trabajo dependerá de la energía interna del gas o el fluido dentro del cilindro.

Compresión adiabática

Como pueden observar en la figura, el pistón se mueve hacia abajo, comprimiendo el gas o el fluido, realizando un trabajo contra el pistón. Como el sistema no experimenta transferencia de calor con los alrededores, debe aumentar la temperatura, elevando la energía interna del fluido o gas para lograr la compresión.

Cómo se relaciona el cilindro pistón o embolo con las leyes termodinámicas

A continuación, veremos que la operación interna del cilindro pistón se fundamenta en las dos primeras leyes de la termodinámica.

La primera ley:

La primera ley o primer principio de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Por ejemplo, en un motor de combustión interna se cumple lo siguiente:

  • El combustible libera energía química al quemarse, transformada en calor
  • Ese calor se convierte parcialmente en trabajo mecánico sobre el pistón
  • Una parte se pierde como calor disipado al ambiente

Por tanto, la transformación de energía en el motor térmico satisface cabalmente la primera ley fundamental de la termodinámica.

La segunda ley:

La segunda ley o segundo principio de la termodinámica establece que en toda transformación de energía se genera una cantidad de entropía (desorden) que hace que el proceso sea irreversible. De esta manera, la operación del cilindro y pistón corroboran experimentalmente el enunciado de la segunda ley de la termodinámica.

Usos del cilindro pistón en la ingeniería

Algunas aplicaciones del cilindro pistón en ingeniería son:

  • Motores de combustión interna tipo Otto y Diésel
  • Compresores mecánicos para gases y vapores
  • Sistemas de refrigeración y aire acondicionado
  • Bombas criogénicas de desplazamiento positivo

Podemos decir entonces, que el funcionamiento de un sistema cilindro pistón se fundamenta en un equilibrio termodinámico entre calor, trabajo y variación de energía interna predicho por las leyes de la termodinámica, principalmente la primera y la segunda ley.

Como siempre, los invitamos a comentar este artículo para compartir experiencias o aclarar dudas, acerca de los cilindros pistones y su relación con la termodinámica.

¿Qué es un sistema cilindro pistón y cómo se relaciona con los principios termodinámicos? by Ing. Bulmaro Noguera is licensed under CC BY-NC-ND 4.0

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