El ciclo Otto: el modelo idealizado de un motor de gasolina
1 · Predecir
El ciclo Otto (compresión adiabática, calentamiento isocórico, expansión adiabática, enfriamiento isocórico) modela un motor de gasolina. A diferencia del ciclo de Carnot, dos de sus tramos están a volumen constante en lugar de temperatura constante. Durante esos tramos de volumen constante, ¿el gas realiza algún trabajo?
- El trabajo aún se realiza porque la presión cambia durante esas piernas.
- Las patas de volumen constante realizan trabajo negativo.
- No se realiza trabajo durante los tramos de volumen constante, ya que W = PΔV y ΔV = 0.
2 · Configurar
- Abra el preajuste del ciclo Otto y presione Restablecer. 1 mol de nitrógeno (f = 5) se comprime de 0.04 m³ a 0.01 m³ y luego se calienta a volumen constante hasta 900 K.
- Habilite el trabajo por pierna y las lecturas de calor.
- Para cada tramo del ciclo (1 a 4), lea el volumen objetivo de la pierna y el trabajo realizado por el gas durante esa pierna.
3 · Recopilar Datos
| número de pierna | Volumen objetivo de la pierna V (m³) | Trabajo realizado por gas en esta pierna. (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Dibuje el diagrama P-V para todas las patas 4 . Marque qué patas son los segmentos de volumen constante (verticales) y confirme que sus lecturas de trabajo estén allí.
4 · Analizar
- Confirme que los catetos 2 y 4 (los catetos isocóricos) muestran W = 0 en su tabla, mientras que los catetos 1 y 3 (adiabáticos) muestran un trabajo distinto de cero. Calcule la relación de compresión r = V₁/V₂ = 4 y la eficiencia del ciclo η = 1 − 1/r^(γ−1) usando γ = 1.4.
- El trabajo neto de este ciclo es positivo aunque la mitad de sus patas no realizan trabajo. Explique cómo los dos tramos adiabáticos por sí solos pueden producir una producción neta de trabajo positiva.
5 · Ampliar
- Los motores de gasolina reales están limitados a relaciones de compresión alrededor de 10-12 (las relaciones más altas provocan preencendido/golpes). Usando η = 1 − 1/r^(γ−1), explique por qué los diseñadores de motores presionan por relaciones de compresión más altas cuando sea posible.
- Un motor diésel utiliza un ciclo diferente (calentamiento isobárico en lugar de isocórico) pero una idea similar de compresión adiabática. Ambos dependen de piernas adiabáticas para convertir el trabajo de compresión en temperaturas más altas. ¿Por qué es importante minimizar la pérdida de calor durante la compresión para ambos diseños?
La física detrás de este experimento
Eficiencia del ciclo Otto
Para un ciclo Otto idealizado, la eficiencia depende únicamente de la relación de compresión r = V₁/V₂ y la relación de capacidad calorífica del gas γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Relaciones de compresión más altas dan mayor eficiencia.