Il ciclo di Otto: modello idealizzato del motore a benzina
1 · Prevedi
Il ciclo di Otto (compressione adiabatica, riscaldamento isocoro, espansione adiabatica, raffreddamento isocoro) modella un motore a benzina. A differenza del ciclo di Carnot, due rami sono a volume costante anziché a temperatura costante. In quei rami isocori, il gas compie lavoro?
- Il lavoro c'è comunque perché la pressione cambia in quei rami.
- I rami isocori compiono lavoro negativo.
- Nessun lavoro è compiuto durante i rami a volume costante, poiché W = PΔV e ΔV = 0.
2 · Configurazione
- Apri il preset otto-cycle e premi Reset. 1 mol di azoto (f = 5) si comprime da 0.04 m³ a 0.01 m³, poi si scalda a volume costante fino a 900 K.
- Attiva le letture di lavoro e calore per ramo.
- Per ogni ramo del ciclo (da 1 a 4), leggi volume bersaglio e lavoro del gas su quel ramo.
3 · Raccogli dati
| Numero del ramo | Volume bersaglio del ramo V (m³) | Lavoro del gas su questo ramo (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Abbozza il diagramma P-V dei 4 rami. Segna quali segmenti sono verticali (volume costante) e conferma che lì le letture di lavoro valgono 0.
4 · Analizza
- Verifica che i rami 2 e 4 (i rami isocori) mostrino W = 0 nella tua tabella, mentre i rami 1 e 3 (adiabatici) mostrano lavoro non nullo. Calcola il rapporto di compressione r = V₁/V₂ = 4 e l'efficienza del ciclo η = 1 − 1/r^(γ−1) usando γ = 1.4.
- Il lavoro netto di questo ciclo è positivo benché metà dei rami abbia lavoro zero. Spiega come le due sole adiabatiche producano un'uscita netta positiva.
5 · Estendi
- I motori a benzina reali sono limitati a rapporti di compressione attorno a 10-12 (rapporti maggiori causano pre-accensione/battito). Usando η = 1 − 1/r^(γ−1), spiega perché i progettisti di motori spingono per rapporti di compressione maggiori quando possibile.
- Un motore Diesel usa un ciclo diverso (riscaldamento isobaro anziché isocoro) ma la stessa idea di compressione adiabatica. Entrambi contano sulle adiabatiche per convertire il lavoro di compressione in temperature più alte. Perché minimizzare le perdite di calore in compressione è importante per entrambi?
La fisica dietro questo esperimento
Rendimento del ciclo di Otto
Per un ciclo Otto idealizzato, l'efficienza dipende solo dal rapporto di compressione r = V₁/V₂ e dal rapporto delle capacità termiche del gas γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Rapporti di compressione maggiori danno efficienza maggiore.