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?
- O trabalho ainda é feito porque a pressão muda durante essas etapas.
- As etapas de volume constante realizam um trabalho negativo.
- Nenhum trabalho é realizado durante as etapas de volume constante, já que W = PΔV e ΔV = 0.
2 · Preparar
- Abra o preset do ciclo Otto e pressione Redefinir. 1 mol de nitrogênio (f = 5) comprime de 0.04 m³ para 0.01 m³, depois aquece a volume constante até 900 K.
- Ative o trabalho por etapa e as leituras de calor.
- 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 etapa | Volume alvo da etapa V (m³) | 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
- Confirme que as 2 etapas e 4 (as etapas isocóricas) mostram W = 0 em sua tabela, enquanto as 1 etapas e 3 (adiabáticas) mostram trabalho diferente de zero. Calcule a taxa de compressão r = V₁/V₂ = 4 e a eficiência do ciclo η = 1 − 1/r^(γ−1) usando γ = 1.4.
- 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
- 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.
- 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
Para um ciclo Otto idealizado, a eficiência depende apenas da taxa de compressão r = V₁/V₂ e da razão de capacidade térmica do gás γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Taxas de compressão mais altas proporcionam maior eficiência.