Siklus Otto: Model Ideal Mesin Bensin
1 · Memprediksi
Siklus Otto (kompresi adiabatik, pemanasan isokorik, ekspansi adiabatik, pendinginan isokorik) memodelkan mesin bensin. Berbeda dengan siklus Carnot, kedua kakinya berada pada volume konstan dan bukan suhu konstan. Pada putaran volume konstan tersebut, apakah gas melakukan usaha?
- Pekerjaan masih dilakukan karena perubahan tekanan pada kaki tersebut.
- Kaki dengan volume konstan melakukan kerja negatif.
- Tidak ada usaha yang dilakukan pada kaki volume konstan, karena W = PΔV dan ΔV = 0.
2 · Pengaturan
- Buka preset otto-cycle dan tekan Reset. 1 mol nitrogen (f = 5 ) dikompres dari 0.04 m³ ke 0.01 m³, kemudian dipanaskan pada volume konstan hingga 900 K.
- Aktifkan pembacaan kerja per kaki dan panas.
- Untuk setiap bagian siklus (1 sampai 4), bacalah volume target pada bagian tersebut dan usaha yang dilakukan oleh gas pada bagian tersebut.
3 · Kumpulkan Data
| Nomor kaki | Volume target kaki V (m³) | Usaha yang dilakukan dengan gas pada kaki ini (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Buat sketsa diagram PV untuk keempat kakinya. Tandai kaki mana yang merupakan segmen volume konstan (vertikal) dan konfirmasikan pembacaan pekerjaan Anda adalah 0 di sana.
4 · Analisis
- Pastikan kaki 2 dan 4 (kaki isokorik) menunjukkan W = 0 pada tabel Anda, sedangkan kaki 1 dan 3 (adiabatik) menunjukkan usaha bukan nol. Hitung rasio kompresi r = V₁/V₂ = 4 dan efisiensi siklus η = 1 − 1/r^(γ−1) menggunakan γ = 1.4.
- Kerja bersih siklus ini adalah positif meskipun separuh kakinya tidak melakukan kerja sama sekali. Jelaskan bagaimana kedua kaki adiabatik saja dapat menghasilkan keluaran kerja positif bersih.
5 · Perluas
- Mesin bensin sebenarnya dibatasi pada rasio kompresi sekitar 10-12 (rasio yang lebih tinggi menyebabkan penyalaan awal/ketukan). Dengan menggunakan η = 1 − 1/r^(γ−1), jelaskan mengapa perancang mesin mendorong rasio kompresi yang lebih tinggi jika memungkinkan.
- Mesin Diesel menggunakan siklus yang berbeda (pemanasan isobarik bukan isokorik) tetapi ide kompresi adiabatik serupa. Keduanya mengandalkan kaki adiabatik untuk mengubah kerja kompresi menjadi suhu yang lebih tinggi. Mengapa meminimalkan kehilangan panas selama kompresi penting untuk kedua desain?
Fisika di Balik Eksperimen Ini
Efisiensi Siklus Otto
Untuk siklus Otto yang diidealkan, efisiensi hanya bergantung pada rasio kompresi r = V₁/V₂ dan rasio kapasitas panas gas γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Rasio kompresi yang lebih tinggi memberikan efisiensi yang lebih tinggi.