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 esos tramos.
- Los tramos 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 40 L a 10 L y luego se calienta a volumen constante hasta 900 K.
- Habilite el trabajo por tramo y las lecturas de calor.
- Para cada tramo del ciclo (1 a 4), lea el volumen objetivo del tramo y el trabajo realizado por el gas durante ese tramo.
3 · Recopilar datos
| Número de tramo | Volumen objetivo del tramo V (L) | Trabajo realizado por el gas en este tramo (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Dibuje el diagrama P-V para los 4 tramos. Marque qué tramos son los segmentos de volumen constante (verticales) y confirme que sus lecturas de trabajo son 0 allí.
4 · Analizar
- Confirme que los tramos 2 y 4 (los tramos isocóricos) muestran W = 0 en su tabla, mientras que los tramos 1 y 3 (adiabáticos) muestran un trabajo distinto de cero.
- El trabajo neto de este ciclo es positivo aunque la mitad de sus tramos no realice 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 tramos adiabáticos para convertir el trabajo de compresión en temperaturas más altas. ¿Por qué es importante minimizar la pérdida de calor durante la compresión en ambos diseños?
La física detrás de este experimento
Eficiencia del ciclo Otto
El rendimiento medido del motor es η = W/Q_in, trabajo neto por calor absorbido; exactamente eso muestra la fórmula citada y eso calcula su tabla de datos. Para el ciclo Otto idealizado, el rendimiento depende solo de la relación de compresión r = V₁/V₂ y de la razón de capacidades caloríficas γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Más compresión, mayor rendimiento.
Termodinámica
- La ley de los gases ideales: presión, volumen y temperatura
- Teoría cinética: temperatura y velocidad molecular
- Compresión isotérmica: trabajo realizado a temperatura constante
- Calentamiento isobárico: expansión a presión constante
- Calentamiento isocórico: aumento de presión a volumen constante
- Expansión adiabática: enfriamiento sin perder calor
- Calorimetría: mezcla de frío y calor
- Conducción térmica: flujo de calor a través de una barra
- El ciclo de Carnot: máxima eficiencia posible del motor
- El ciclo de Carnot invertido: un refrigerador
- El ciclo de Stirling: tramos isotérmicos con regeneración
- Cambio de entropía en una expansión isotérmica reversible