El cicle d'Otto: model idealitzat d'un motor de gasolina
1 · Prediu
El cicle d'Otto (compressió adiabàtica, escalfament isocor, expansió adiabàtica, refredament isocor) modelitza un motor de gasolina. A diferència del cicle de Carnot, dos dels seus trams són en volum constant i no en temperatura constant. Durant aquells trams en volum constant, el gas fa cap treball?
- Encara es fa treball perquè la pressió canvia durant aquells trams.
- Els trams en volum constant fan treball negatiu.
- No es fa treball durant els trams en volum constant, ja que W = PΔV i ΔV = 0.
2 · Configura
- Obre el predefinit «El cicle d'Otto» i prem Restableix. 1 mol de nitrogen (f = 5) es comprimeix de 0.04 m³ a 0.01 m³ i després s'escalfa en volum constant fins a 900 K.
- Activa les lectures de treball i calor per tram.
- Per a cada tram del cicle (1 a 4), llegeix el volum objectiu del tram i el treball fet pel gas durant aquell tram.
3 · Recull dades
| Número de tram | Volum objectiu del tram V (m³) | Treball fet pel gas en aquest tram (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Esbossa el diagrama P-V dels 4 trams. Marca quins trams són els segments en volum constant (verticals) i confirma que les lectures de treball hi són 0.
4 · Analitza
- Confirma que els trams 2 i 4 (els isocors) mostren W = 0 a la teva taula, mentre que els trams 1 i 3 (adiabàtics) mostren treball diferent de zero. Calcula la relació de compressió r = V₁/V₂ = 4 i el rendiment del cicle η = 1 − 1/r^(γ−1) amb γ = 1.4.
- El treball net d'aquest cicle és positiu tot i que la meitat dels trams fan treball zero. Explica com els dos trams adiabàtics tots sols poden produir una sortida de treball net positiu.
5 · Amplia
- Els motors de gasolina reals estan limitats a relacions de compressió d'uns 10-12 (relacions més altes causen pre-encesa/picoteig). Amb η = 1 − 1/r^(γ−1), explica per què els dissenyadors de motors busquen relacions de compressió més altes quan és possible.
- Un motor Dièsel fa servir un cicle diferent (escalfament isobar en lloc d'isocor) però una idea similar de compressió adiabàtica. Tots dos es recolzen en trams adiabàtics per convertir treball de compressió en temperatures més altes. Per què minimitzar la pèrdua de calor durant la compressió és important per a tots dos dissenys?
La física al darrere d'aquest experiment
Rendiment del cicle d'Otto
Per a un cicle d'Otto idealitzat, el rendiment depèn només de la relació de compressió r = V₁/V₂ i de la relació de capacitats calorífiques γ del gas: η = 1 − 1/r^(γ−1). Relacions de compressió més altes donen més rendiment.
Termodinàmica
- La llei del gas ideal: pressió, volum i temperatura
- Teoria cinètica: temperatura i velocitat molecular
- Compressió isoterm: treball fet en temperatura constant
- Escalfament isobar: expansió a pressió constant
- Escalfament isocor: pujada de pressió en volum constant
- Expansió adiabàtica: refredar-se sense perdre calor
- Calorimetria: barrejar calent i fred
- Conducció tèrmica: flux de calor per una barra
- El cicle de Carnot: rendiment màxim possible d'un motor
- El cicle de Carnot invertit: una nevera
- El cicle de Stirling: trams isoterms amb regeneració
- Canvi d'entropia en una expansió isoterm reversible
138 fulls de treball de laboratori de física gratuïts i imprimibles