O Ciclo Otto: o modelo idealizado de um motor a gasolina

1 · Prever

O ciclo Otto (compressão adiabática, aquecimento isocórico, expansão adiabática, resfriamento isocórico) modela um motor a gasolina. Ao contrário do ciclo de Carnot, duas de suas etapas estão em volume constante e não em temperatura constante. Durante essas etapas de volume constante, o gás realiza algum trabalho?

2 · Preparar

  1. Abra o preset do ciclo Otto e pressione Redefinir. 1 mol de nitrogênio (f = 5) comprime de 40 L para 10 L, depois aquece a volume constante até 900 K.
  2. Ative o trabalho por etapa e as leituras de calor.
  3. Para cada etapa do ciclo (1 a 4), leia o volume alvo da etapa e o trabalho realizado pelo gás durante essa etapa.

3 · Coletar Dados

Número da etapaVolume alvo da etapa V (L)Trabalho realizado pelo gás nesta etapa (J)
1
2
3
4

Esboce o diagrama PV para todas as 4 etapas . Marque quais etapas são os segmentos de volume constante (verticais) e confirme se suas leituras de trabalho estão 0 lá.

4 · Analisar

  1. Confirme que as etapas 2 e 4 (as isocóricas) mostram W = 0 em sua tabela, enquanto as etapas 1 e 3 (adiabáticas) mostram trabalho diferente de zero…
  2. O trabalho líquido deste ciclo é positivo, apesar de metade das suas etapas realizarem trabalho zero. Explique como as duas etapas adiabáticas por si só podem produzir um resultado líquido de trabalho positivo.

5 · Aprofundar

  1. Os motores a gasolina reais são limitados a taxas de compressão em torno de 10-12 (razões mais altas causam pré-ignição/detonação). Usando η = 1 − 1/r^(γ−1), explique por que os projetistas de motores pressionam por taxas de compressão mais altas quando possível.
  2. Um motor Diesel utiliza um ciclo diferente (aquecimento isobárico em vez de isocórico), mas uma ideia semelhante de compressão adiabática. Ambos contam com etapas adiabáticas para converter o trabalho de compressão em temperaturas mais altas. Por que minimizar a perda de calor durante a compressão é importante para ambos os projetos?

A física por trás deste experimento

Eficiência do Ciclo Otto

O rendimento medido do motor é η = W/Q_in — trabalho líquido por calor absorvido; é exatamente isso que a fórmula citada mostra e que a sua tabela de dados calcula. Para o ciclo Otto idealizado, o rendimento depende apenas da taxa de compressão r = V₁/V₂ e da razão entre capacidades térmicas γ: η = 1 − 1/r^(γ−1) — mais compressão, maior rendimento.

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Termodinâmica

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